Rekordowa synteza materiału
Zespół pod kierunkiem Babaka Anasori osiągnął bezprecedensowy sukces w syntezie tzw. MXenów, tworząc ultracienki arkusz zawierający rekordową liczbę dziewięciu metali przejściowych. To znaczący postęp w porównaniu z dotychczasowymi osiągnięciami w tej dziedzinie. MXeny to rodzina dwuwymiarowych węglików i azotków, odkryta w 2011 roku przez zespół Yury’ego Gogotsi z Drexel University. W przeciwieństwie do grafenu, który składa się wyłącznie z warstwy atomów węgla, materiały te zawierają kilka warstw metalu oraz węgla lub azotu. Naukowcy zsyntetyzowali prawie 40 różnych materiałów warstwowych, co pozwoliło im dokładnie zbadać przejście od uporządkowania do chaosu w strukturze atomowej. Wyniki ich pracy ukazały się w prestiżowym czasopiśmie Science.
Czytaj też: Historyczny sukces obalił podstawowy dogmat chemii. Przypadkowo stworzyli wodorek złota!
Najciekawszym aspektem odkrycia jest zrozumienie mechanizmów rządzących układaniem się atomów w tych nanostrukturach. Badanie wykazało, że mniejsze kombinacje metali – od dwóch do sześciu – sprzyjają stabilnemu uporządkowaniu atomowemu dzięki preferencjom entalpicznym. Niektóre metale “wolą” znajdować się w określonych warstwach ze względu na właściwości atomowe, takie jak rozmiar atomu czy jego “głód elektronów”. Gdy liczba różnych metali wzrasta do siedmiu lub więcej, entropia, czyli miara nieuporządkowania, zaczyna dominować nad entalpią, prowadząc do powstania faz o „wysokiej entropii”.
Zastosowania w ekstremalnych warunkach
Potencjalne zastosowania nowych MXenów mogą być naprawdę imponujące. Materiały te projektowano z myślą o pracy w warunkach, gdzie konwencjonalne rozwiązania zawodzą. Wśród możliwych aplikacji wymienia się:
- ekranowanie fal elektromagnetycznych – ochronę przed szkodliwym promieniowaniem
- ultracienkie anteny do komunikacji następnej generacji
- komponenty dla przemysłu lotniczego odporne na ekstremalne temperatury
- aystemy magazynowania energii o zwiększonej wydajności
- materiały kosmiczne odporne na promieniowanie i skrajne temperatury
Czytaj też: Duńscy naukowcy znaleźli materiał z koszmaru fizyków. Przeczy wszystkiemu czego nas uczono
Laboratorium Anasori koncentruje się na tworzeniu MXenów zdolnych do działania tam, gdzie obecne materiały zawodzą. Jak podkreśla naukowiec, celem jest opracowanie rozwiązań przewyższających wszystko, co znamy obecnie. Materiały te są na tyle złożone, że ich modelowanie komputerowe jest obecnie niemożliwe, co oznacza, że naukowcy muszą badać ich właściwości eksperymentalnie. To otwiera drogę do odkrycia zupełnie nieoczekiwanych charakterystyk. Osiągnięcie zespołu z Purdue University podwaja liczbę członków rodziny obiecujących materiałów 2D, otwierając możliwość projektowania wielu nowych, użytecznych substancji. Badanie było finansowane przez agencje z USA, Polski i Korei Południowej, co podkreśla międzynarodowe znaczenie tego odkrycia.
Jaka przyszłość czeka tę technologię?
Nowe MXeny reprezentują znaczący krok naprzód w inżynierii materiałowej, gdzie naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować przejście między uporządkowaniem a chaosem na poziomie atomowym. To odkrycie może przyspieszyć rozwój materiałów dla najbardziej wymagających zastosowań technologicznych przyszłości. A co z potencjalnymi problemami? Bez wątpienia, takowe istnieją, ponieważ koszty produkcji takich zaawansowanych materiałów mogą być na tyle wysokie, że ograniczą ich praktyczne wykorzystanie. Niemniej jednak, samo opracowanie metody tworzenia tak złożonych struktur atomowych to już duże osiągnięcie. Pokazuje, jak daleko zaszła nasza zdolność do manipulowania materią na poziomie pojedynczych atomów. Nawet jeśli bezpośrednie zastosowania komercyjne przyjdą później, wiedza zdobyta podczas tych badań z pewnością znajdzie zastosowanie w innych dziedzinach materiałoznawstwa.