Nanomateriale fungerer som et molekylært termometer

Et lagdelt materiale udviklet af KAUST-forskere kan fungere som en præcis temperatursensor ved at udnytte det samme princip, som bruges i biologiske ionkanaler.

Menneskeceller har forskellige proteiner, der fungerer som kanaler for ladede ioner. I huden, visse ionkanaler er afhængige af varme til at drive en strøm af ioner, der genererer elektriske signaler, som vi bruger til at fornemme temperaturen i vores omgivelser.

Inspireret af disse biologiske sensorer, KAUST-forskere fremstillede en titaniumcarbidforbindelse (Ti ₃ C ₂ T _x ) kendt som en MXene, som indeholder flere lag kun få atomer tykke. Hvert lag er dækket af negativt ladede atomer, såsom oxygen eller fluor. "Disse grupper fungerer som afstandsstykker for at holde tilstødende nanoark fra hinanden, tillader vandmolekyler at komme ind i de interplanare kanaler, " siger KAUST postdoc Seunghyun Hong, en del af teamet bag den nye temperatursensor. Kanalerne mellem MXene-lagene er smallere end en enkelt nanometer.

Forskerne brugte teknikker, såsom røntgendiffraktion og scanningselektronmikroskopi, at undersøge deres MXene, og de fandt ud af, at tilsætning af vand til materialet udvidede kanalerne mellem lagene en smule. Når materialet rørte ved en opløsning af kaliumchlorid, disse kanaler var store nok til at tillade positive kaliumioner at bevæge sig gennem MXene, men blokerede passagen af ​​negative kloridioner.

Holdet skabte en lille enhed, der indeholdt MXene og udsatte den ene ende af den for sollys. MXenes er særligt effektive til at absorbere sollys og omdanne denne energi til varme. Den resulterende temperaturstigning fik vandmolekyler og kaliumioner til at strømme gennem nanokanalerne fra den køligere ende til den varmere del, en effekt kendt som termo-osmotisk flow. Dette forårsagede en spændingsændring, der kan sammenlignes med den, der ses i biologiske temperaturfølende ionkanaler. Som resultat, enheden kunne pålideligt registrere temperaturændringer på mindre end en grad Celsius.

Nedsættelse af saltholdigheden af ​​kaliumchloridopløsningen forbedrede enhedens ydeevne, dels ved yderligere at øge kanalens selektivitet for kaliumioner.

Da forskerne øgede intensiteten af ​​lys, der skinnede på materialet, dens temperatur steg med samme hastighed, ligesom den iontransporterende reaktion. Dette tyder på, at materialet sammen med at fungere som en temperatursensor også kan bruges til at måle lysintensiteten.

Arbejdet var et resultat af samarbejde mellem grupperne af KAUST-professorer Husam Alshareef og Peng Wang. "Vi forestiller os, at MXene-kationkanalerne lover mange potentielle applikationer, inklusive temperaturføling, fotodetektion eller fototermoelektrisk energihøst, " siger Alshareef, som var med til at lede holdet.