Atomowy nieporządek blokował elektrony
MXeny to niezwykle cienkie płatki, o grubości zaledwie kilku atomów, które z racji swojej budowy wykazują wyjątkowe cechy. Problem leżał w sposobie ich produkcji. Dotychczas stosowane chemiczne trawienie pozostawiało na powierzchni materiału przypadkową mieszankę atomów tlenu, fluoru czy chloru. Ta atomowa przypadkowość miała fatalne skutki dla przewodnictwa.
Czytaj też: Nowy materiał odmienia odzysk energii z ciepła odpadowego. Jak to możliwe, że powstał dopiero teraz?
Ten atomowy nieporządek ogranicza wydajność, ponieważ pułapkuje i rozprasza elektrony, podobnie jak dziury w drodze spowalniają ruch – tłumaczy Dongqi Li
Każdy rodzaj atomu przyczepionego do powierzchni MXenu (tzw. zakończenie powierzchniowe) decyduje o jego właściwościach. Gdy są one rozmieszczone chaotycznie, elektrony próbujące przez niego przepłynąć, napotykają niezliczone przeszkody. To tak, jakby próbować jechać autostradą pełną nieprzewidywalnych zwężeń i dziur. Nowe podejście, nazwane metodą GLS (gas-liquid-solid), całkowicie odchodzi od agresywnej chemii. Mówiąc krótko, polega ona na użyciu stałych materiałów wyjściowych (faz MAX), które poddaje się działaniu stopionych soli i pary jodu w ściśle kontrolowanych warunkach. Ta elegancka metoda pozwala niemalże programować, które atomy halogenów -chlor, brom lub jod – znajdą się na powierzchni gotowego MXenu. Prawdziwą siłą tej techniki jest jej precyzja i uniwersalność. Mieszając różne sole, badacze są w stanie tworzyć materiały z podwójnymi lub potrójnymi zakończeniami o dokładnie zaplanowanych proporcjach. Co więcej, zespół udowodnił skuteczność metody na aż ośmiu różnych materiałach wyjściowych, co sugeruje, iż mamy do czynienia z realną, skalowalną technologią, a nie jednorazowym eksperymentem.
Przewodność wzrosła 160-krotnie
Kiedy przyszedł czas na testy, efekty przerosły nawet oczekiwania naukowców. Wariant MXenu zakończony chlorem (Ti3C2Cl2) wyprodukowany nową metodą okazał się być nieporównywalnie lepszy od swojego tradycyjnego odpowiednika.
Wyniki były uderzające. Wariant MXenu zakończony chlorem wykazał 160-krotny wzrost makroskopowej przewodności i 13-krotne zwiększenie przewodności terahercowej w porównaniu z tym samym materiałem wykonanym tradycyjnymi metodami. Ponadto zaobserwowano prawie czterokrotny wzrost ruchliwości nośników ładunku, kluczowej miary tego, jak swobodnie elektrony poruszają się w materiale – dodaje badacz
Czytaj też: Plastik, który sam się naprawia łamie zasady materiałoznawstwa. Sensacyjna technologia z Holandii
Ruchliwość nośników, czyli właśnie swoboda poruszania się elektronów, wzrosła niemal czterokrotnie. Symulacje komputerowe potwierdziły, że za tym spektakularnym skokiem stoi uporządkowana, regularna struktura powierzchni. Elektrony po prostu nie muszą już przeciskać się przez atomowy labirynt. Dlaczego ta precyzja jest tak ważna? Ponieważ różne zakończenia atomowe nadają materiałowi inne właściwości. Okazuje się, iż MXeny z chlorem doskonale pochłaniają fale elektromagnetyczne w zakresie 14-18 GHz, co natychmiast nasuwa skojarzenia z technologią stealth. Wersje z bromem czy jodem działają w innych zakresach częstotliwości, co otwiera drogę do projektowania wyspecjalizowanych powłok czy ekranów. Taka kontrola sprawia, że materiał można „programować” pod konkretne zastosowanie: czy to będą superszybkie czujniki, wydajniejsze elektrody w bateriach, czy elementy elastycznej elektroniki, którą można będzie zginać bez obaw o utratę funkcjonalności. Potencjał dostrzega się również w katalizie czy fotonice.