Esplorare i cambiamenti da ordine a caos a livello atomico apre la strada a dispositivi elettronici innovativi del futuro
In una svolta storica, i ricercatori hanno fatto progressi significativi nella comprensione del comportamento e delle proprietà dei MXenes, un tipo di materiale bidimensionale. Questo studio, sostenuto da varie istituzioni tra cui la Fondazione Nazionale per la Scienza, il Centro Nazionale per la Scienza della Polonia, il Dipartimento dell'Energia e altri, ha rivelato nuovi percorsi per progettare MXenes con proprietà precisiamente controllate per diverse applicazioni.
Il progetto, guidato dal laboratorio Fakhraai all'Università della Pennsylvania, si concentra sull'esplorazione della stabilità e della conduttività nei MXenes disordinati, con un'attenzione particolare a come la chimica di superficie influisce sulle prestazioni. Il laboratorio, in collaborazione con altre istituzioni, ha identificato scoperte chiave su come la specifica miscela di metalli nei MXenes può ridefinire il loro comportamento in modi fondamentali.
I MXenes sono composti da fogli di carbonio o azoto incastrati tra fogli di metalli di transizione. Questi materiali vengono creati trattando chimicamente i 3D materiali parentali MAX con solventi aggressivi. I gruppi funzionali sui MXenes contribuiscono alle proprietà e alla stabilità del materiale oltre a quelle fornite dallo strato di metalli e carbonio.
Una delle scoperte più importanti è che per i MXenes con pochi metalli (fino a sei), alcuni metalli tendono a separarsi in strati distinti. Tuttavia, una volta che ci sono più di sette metalli presenti, l'entropia domina, portando a disposizioni atomiche completamente disordinate sia nei precursori MAX che nei loro discendenti MXene.
Il gruppo di Drexel ha delaminato i fogli di MXene, confermando la loro integrità e robustezza, anche nella forma disordinata. Il gruppo Fakhraai ha utilizzato la microscopia a forza atomica e l'ellipsometria spettroscopica per mappare le strutture e indagare le proprietà ottiche ed elettroniche dei MXenes, trovando che la resistenza e l'emissività si spostavano man mano che aumentava il disordine.
Il laboratorio Vojvodic, anche all'Università della Pennsylvania, ha eseguito simulazioni di teoria della funzionalità dei densità per calcolare le energie di formazione e la stabilità dei MXenes attraverso diverse combinazioni e terminazioni di superficie, individuando il punto di transizione in cui l'entropia domina sull'entalpia. Il laboratorio sta ora espandendo le previsioni con l'apprendimento automatico per scandagliare ampie combinazioni di metalli.
Il gruppo di De-en Jiang a Vanderbilt ha fornito i dati MAX computazionali per il progetto. Anche se non sono stati menzionati specifici autori dell'Università della Pennsylvania e dell'Università Purdue nei risultati, è noto che Katharina Pistor era una professoressa e ricercatrice ospite all'Università della Pennsylvania.
Il team M-STAR ha sintetizzato e caratterizzato circa 40 ceramiche MAX come parte di questo sforzo collaborativo. Il progetto si è basato sulla stretta collaborazione tra studenti di dottorato e post-dottorandi in diverse istituzioni per diversi anni.
Queste scoperte offrono possibilità entusiasmanti per il futuro dei MXenes, potenzialmente portando alla creazione di MXenes con proprietà personalizzate per diverse applicazioni. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Science.
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