MXenes tour de force

Er der noget MXene-materialer ikke kan?

Siden opdagelsen af ​​en stor ny familie af todimensionelle materialer af Drexel University-forskere i 2011, fortsat udforskning har afsløret deres enestående evne til at lagre energi, blokere elektromagnetisk interferens, rense vand og endda afværge bakterier. Og, som nyere forskning nu viser, MXenes er også meget holdbare - det stærkeste materiale af sin art, ifølge en ny undersøgelse i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Fundet, præsenteret af forskere ved Drexel og University of Nebraska-Lincoln, viser, at MXenes vurderer den højeste blandt todimensionelle materialer fremstillet ved opløsningsbehandling - standardmetoden til at gøre skalerbar, praktisk talt nyttige materialer i laboratoriet - i et mål kaldet "elasticitetsmodul."

I en side-om-side sammenligning med grafenoxid eller reduceret grafenoxid, lover nye materialer, der allerede bliver brugt til at tilføje styrke til gummi og polymerer, en flage af MXene titaniumcarbid viste sig at være omkring 50 procent stivere.

Denne styrketest udføres ved at placere et enkelt ark af et materiale over en siliciumwafer-testoverflade med huller. Så stikker en skarp spids af et atomkraftmikroskop i materialet, lave en fordybning. Mens dette sker, sonden måler også den kraft, det tager at lave fordybningen - og bestemmer dermed materialets styrke og elasticitetsmodul. Holdet gentog testen 36 gange og fandt, at materialets modul var det højeste registreret for et opløsningsbearbejdet materiale og sammenlignelig selv med de stærkeste materialemembraner, som forskere i øjeblikket kender:ren grafen og molybdændisulfid.

"Dette arbejde åbner vejen til at studere de mekaniske egenskaber af monolag af andre MXenes og udvider det allerede brede udvalg af MXenes' applikationer, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach Professor i College of Engineering, som var hovedforfatter af forskningen.

Selvom resultaterne ikke var helt uventede - forskere har anekdotisk bemærket styrken af ​​MXene i laboratoriet gennem årene - har det taget noget tid at formelt indsamle disse data på grund af udfordringerne med at skabe store nok enkeltlagsprøver af materialet og mekanisk test af pladerne, der kun er få atomer tykke.

Men Drexel-forskere har nu forbedret deres evne til at producere større flager af titaniumcarbid MXene. Og gennem samarbejde med teamet fra Nebraska, var i stand til at udføre testen med et atomkraftmikroskop for at bestemme deres styrke.

Den seneste forskning pegede på grafen som det stærkeste todimensionelle materiale, med hensyn til modul, så det var relevant for holdet at måle en MXene mod den forarbejdede version af grafen - grafenoxid. Ikke kun rapporterer de, at MXene er stærkere, forskerne viste også, at mens en grafenfilm knækker katastrofalt, når indenteren prikker et hul i filmen, Det gør MXene ikke.

Opdagelsen af ​​MXenes overlegne mekaniske egenskaber tyder på, at det kunne være et nyttigt additiv til strukturelle kompositter, såsom glasfiber. Det kan også bruges i beskyttende belægninger og membraner, som en måde at øge deres holdbarhed på. Og med omkring 30 MXener allerede produceret, der er en god chance for at finde endnu stærkere varianter end titaniumcarbid testet i denne undersøgelse.

"At kende de mekaniske egenskaber ved enkeltark MXene er helt afgørende for at udvikle superstærke, hårde og hårde kompositmaterialer, " sagde Gogotsi. "Det næste trin for MXenes vil være at tilføje dem til polymerer, metaller og keramik for at se, hvordan deres egenskaber kan forbedres. For eksempel, tilsætning af titaniumcarbid til keramik og polymerer kan øge deres mekaniske styrke og ledningsevne på samme tid - disse kompositter kan bruges til strukturelle applikationer, elektromagnetisk afskærmning og mange andre formål."