Od płaskich arkuszy do przewodzących rurek
MXeny to stosunkowo nowa klasa materiałów, odkryta na początku drugiej dekady XXI wieku. Powstają one poprzez selektywne usunięcie aluminium z trójwarstwowych struktur zwanych fazami MAX. Owocem są dwuwymiarowe arkusze, które łączą przewodnictwo metalu z pewną giętkością i zdolnością do mieszania się z wodą. Przez lata były one obiecujące, lecz ich płaska, warstwowa budowa stanowiła również ograniczenie. Przełom polega na opanowaniu procesu, który zmusza te arkusze do samoistnego zwijania się w ciasne rurki. Sekret tkwi w precyzyjnej kontroli chemicznej środowiska. Naukowcy wykorzystują wodę, by zmienić właściwości powierzchni tylko po jednej stronie arkusza, tworząc asymetrię. To generuje naprężenia w sieci krystalicznej, a materiał, niczym zwijający się rulon, sam formuje się w rurkę.
Czytaj też: Frustracja w materiałach kwantowych czyni cuda. Jej efekt wychodzi daleko poza ściany laboratorium
Morfologia dwuwymiarowa jest bardzo ważna w wielu zastosowaniach. Istnieją jednak zastosowania, w których morfologia jednowymiarowa jest lepsza. To tak jak porównywanie blach stalowych do rur metalowych lub prętów zbrojeniowych. Potrzebne są blachy do produkcji karoserii samochodowych, ale do pompowania wody lub wzmacniania betonu potrzebne są długie rury lub pręty – wyjaśnia Yury Gogotsi z Drexel University:
Opisana przez zespół skalowalna metoda produkcji, opublikowana w Advanced Materials, pozwala na wytworzenie nawet 10 gramów spójnego materiału. Co istotne, technika działa dla co najmniej sześciu różnych typów MXenów, opartych na takich pierwiastkach jak tytan, niob czy wanad. Sam materiał jest niezwykle cienki, wszak pojedynczy nanoarkusz jest około stu razy cieńszy od ludzkiego włosa, a jego przewodnictwo elektryczne okazało się jeszcze lepsze niż w formie płaskiej.
Autostrady dla jonów zamiast labiryntów
Główna zaleta nowej formy tkwi w geometrii. W tradycyjnych, płaskich MXenach, jony i cząsteczki muszą przeciskać się między nałożonymi na siebie warstwami, co przypomina przedzieranie się przez gęsty las. Nanoarkusze usuwają to ograniczenie, oferując otwarty, rurowy kanał. Teng Zhang, członek zespołu, obrazowo wyjaśnia różnicę:
Przekształcając nanoarkusze dwuwymiarowe w nanoscrolle jednowymiarowe, zapobiegamy efektowi nanouwięzienia. Otwarta, rurowa geometria skutecznie tworzy autostrady dla szybkiego transportu, umożliwiając jonom swobodne poruszanie się.
Ta architektura ma też drugą ważną zaletę: cała powierzchnia materiału staje się łatwo dostępna. W formie płaskiej, aktywne miejsca często są „schowane” między warstwami, co utrudnia ich wykorzystanie np. w czujnikach biologicznych. Rurkowate MXeny wystawiają swoją powierzchnię na zewnątrz, łącząc ją z wysoką przewodnością i sztywnością. W praktyce filmy z nowych nanoarkuszy są trzy razy lżejsze i zapewniają znacznie lepszy transport masy, co już przekłada się na wydajniejsze elektrody w superkondensatorach. Możliwości wydają się bardzo szerokie, choć na razie mówimy głównie o obiecujących prototypach. W elektronice noszonej, sztywne nanoarkusze można osadzać w elastycznych polimerach, tworząc kompozyty, które przewodzą prąd nawet podczas rozciągania. Co ciekawe, w roztworze wodnym orientacją tych mikroskopijnych rurek można sterować za pomocą pola elektrycznego. To otwiera drogę do precyzyjnego „wplatania” ich w włókna tkanin, dając trwałe, przewodzące powłoki do inteligentnych ubrań.
Nanoscrolle zachowują się jak tzw. płyn elektroreologiczny. Oznacza to, iż pod wpływem pola elektrycznego ich cząstki ustawiają się w jednym kierunku, gwałtownie zmieniając właściwości całej zawiesiny. Pozwala to na tworzenie przełączalnych obwodów. Można je także organizować w bardziej złożone struktury, jak pionowo ustawione „lasy” czy ciągłe włókna. To właśnie ta zdolność do precyzyjnego manipulowania materią w nanoskali jest prawdziwym sprawdzianem zaawansowania technologii.
Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej
Najbardziej elektryzującym (nomen omen) odkryciem jest pojawienie się nadprzewodnictwa. Po raz pierwszy zaobserwowano je w swobodnie stojących, makroskopowych filmach zrobionych z MXenów, a nie – jak wcześniej – w sprasowanych granulkach. Nanoarkusze z węglika niobu wykazały 33-krotny wzrost przewodności i przeszły w stan nadprzewodzący w temperaturze poniżej 5,2 kelwina, czyli około -268 stopni Celsjusza. Choć to wciąż temperatura kriogeniczna, samo wytworzenie nadprzewodzącego, elastycznego filmu w warunkach pokojowych jest ogromnym krokiem.
Czytaj też: Dziwaczny stan materii w grafenie. Kwantowa magia doprowadziła do przejścia nadciekłości w nadstałość
Otwiera to teoretyczną drogę do tworzenia nadprzewodzących powłok, cienkich drutów czy elementów do czujników kwantowych, które dałyby się przetwarzać prostymi metodami. To obietnica, która nadaje całej pracy zupełnie nowy wymiar. Zespół kontynuuje badania, skupiając się na głębszym zrozumieniu kwantowych właściwości materiału. Przejście od płaskiego arkusza do rurki okazało się czymś znacznie większym niż zmiana kształtu. To zmiana paradygmatu, która może przyspieszyć komercjalizację tych niezwykłych nanomateriałów.