Ως νέο συνθετικό υλικό, το MAX συνδυάζει τις εξαιρετικές ιδιότητες τόσο των μεταλλικών όσο και των κεραμικών υλικών και έχει καλές προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως τα σιδηροηλεκτρικά τόξα υψηλής ταχύτητας, τα μονωτικά καλύμματα υψηλής θερμοκρασίας και οι ανθεκτικές στη φθορά επιστρώσεις. Ωστόσο, η προετοιμασία τέτοιων υλικών ήταν πάντα μια πρόκληση.
Ο Huang Qing, ερευνητής στο Ινστιτούτο Υλικών Ningbo της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, οδήγησε μια ομάδα να προτείνει μια νέα μέθοδο που μπορεί να δημιουργήσει πολλά νέα υλικά φάσης MAX και MXene που δεν μπορούν να συντεθούν μέσω συμβατικών οδών, παρόμοια με τον «Στριμμένο Κύβο του Ρούμπικ». ". Αυτό όχι μόνο διευρύνει το εύρος εφαρμογής τέτοιων υλικών, αλλά φέρνει επίσης άπειρη φαντασία στη σύνθεση υλικών. Στις 17 Μαρτίου ώρα Πεκίνου, τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν επίσημα στο περιοδικό Science.
Ο περιοδικός πίνακας συνοψίζει τους τύπους στοιχείων που απαρτίζουν τη φάση MAX και το MXene. Το ανοιχτό μπλε αντιπροσωπεύει το στοιχείο M-site, το γήινο καφέ αντιπροσωπεύει το στοιχείο A-site, το μαύρο αντιπροσωπεύει το στοιχείο X-site, το πράσινο αντιπροσωπεύει το στοιχείο τερματικής ομάδας και τα κυκλικά στοιχεία είναι τα στοιχεία που έχουν επαληθευτεί πειραματικά στο άρθρο. Πηγή: Ινστιτούτο Υλικών Ningbo, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
Ειδικά συνθετικά υλικά
Τι είδους χημική αντίδραση θα συμβεί όταν τα μέταλλα και τα κεραμικά «ενωθούν δυνατά»;
Ως ειδικό τεχνητό συνθετικό υλικό, τα υλικά φάσης MAX ήταν πάντα ένα από τα ερευνητικά hotspot στον τομέα των υλικών. Ο Huang Qing εισήγαγε ότι το M αντιπροσωπεύει μεταλλικά στοιχεία πριν από τη μετάβαση. Το A αντιπροσωπεύει τα κύρια στοιχεία της ομάδας των IIIA και IVA. Το Χ αντιπροσωπεύει άνθρακα, άζωτο ή βόριο. Μ. Οι τρεις τύποι στοιχείων στο Α και στο Χ μπορούν να διαταχθούν και να συνδυαστούν διαφορετικά για να σχηματίσουν διάφορα υλικά φάσης MAX.
Χάρη στη μοναδική κρυσταλλική δομή με νανοστρώσεις, αυτός ο τύπος υλικού μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό και θερμότητα όπως το μέταλλο, είναι μαλακό και εύκολο στην επεξεργασία και έχει υψηλή σκληρότητα. Παρόμοια με τα κεραμικά, έχει χαρακτηριστικά όπως αντοχή στην οξείδωση, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στη διάβρωση ακτινοβολίας. Αυτό έχει δείξει εξαιρετικές προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως παντογράφοι σιδηροδρόμων υψηλής ταχύτητας, θερμαντικά στοιχεία υψηλής θερμοκρασίας, πτερύγια τουρμπίνας, μονωτικά καλύμματα υψηλής θερμοκρασίας και επιστρώσεις ανθεκτικές στη φθορά.
Εάν αφαιρεθεί το στοιχείο Α, το υλικό φάσης MAX θα μετατραπεί σε έναν νέο τύπο υλικού MXene. Είναι κατανοητό ότι η ατομική διάταξη του MXene είναι παρόμοια με αυτή του γραφενίου και έχει μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής σε πεδία όπως οπτοηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας, ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, κατάλυση επιφανειών και μεμβράνες διαχωρισμού.
Ωστόσο, στους τρεις τύπους πρώτων υλών M, A και X, ορισμένα στοιχεία δεν είναι συμβατά. Το να τους επιτρέψουμε να συνυπάρξουν ειρηνικά και να προετοιμάσουν υλικά υψηλής ποιότητας με συγκεκριμένες λειτουργίες είναι μια πρόκληση.
Σχηματικό διάγραμμα στρατηγικής επεξεργασίας δομής για καρβίδια μετάλλων σε στρώματα μετάπτωσης με τη βοήθεια "χημικού ψαλιδιού" Πηγή: Ινστιτούτο Υλικών Ningbo, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
Στρίψτε τον κύβο του Ρούμπικ για να προετοιμάσετε νέα υλικά
Η σύνθεση και η δομή των χημικών στοιχείων καθορίζουν τις ιδιότητες των υλικών.
Προκειμένου να καλύψουν τις ανάγκες εφαρμογής διαφορετικών πεδίων, οι επιστήμονες ελπίζουν να ρυθμίσουν με ακρίβεια τη μικροδομή των υλικών MAX φάσης και MXene και να προετοιμάσουν νέα υλικά με συγκεκριμένες λειτουργίες.
Ήδη από το 2019, η ομάδα του Huang Qing πρότεινε μια τεχνολογία πράσινης προετοιμασίας και συνέθεσε με επιτυχία υλικά φάσης ψευδαργύρου MAX για πρώτη φορά. Η προηγούμενη εργασία χρησιμοποιούσε στην πραγματικότητα ένα οξειδωτικό «χημικό ψαλίδι» για να χαράξει στοιχεία μεταξύ των στρωμάτων, δηλαδή να μειώσει τα στοιχεία που πρέπει να ρυθμίσουμε», είπε ο Huang Qing.
Μπορούν τα στοιχεία να επανασυναρμολογηθούν μετά τη χάραξη; Για να επαληθεύσει αυτή την υπόθεση, η ομάδα του Huang Qing διεξήγαγε πολλαπλά πειράματα. Τέλος, ανακάλυψαν ότι το μέταλλο, ένα αναγωγικό «χημικό ψαλίδι», μπορεί να συναρμολογήσει εκ νέου δισδιάστατα υλικά MXene σε τρισδιάστατα υλικά φάσης MAX.
Ο Huang Qing εξήγησε ότι τα υλικά φάσης MAX είναι σαν δομικά στοιχεία, που αποτελούνται από τρεις τύπους στοιχείων: M, A και X, τα οποία συνδέονται διαδοχικά από αριστερά προς τα δεξιά. Στο παρελθόν, για να κόψουν το μεσαίο στοιχείο Α, οι επιστήμονες χρειαζόταν να σπάσουν τρία δομικά στοιχεία, ισοδύναμα με τη σύνθλιψη ολόκληρης της χημικής δομής, προκειμένου να «εξαχθεί» το μεσαίο στοιχείο Α.
Και η προτεινόμενη νέα στρατηγική τους είναι παρόμοια με τον "Στρίβοντας τον Κύβο του Ρούμπικ", ο οποίος στρίβει ελαφρώς το μεσαίο στρώμα του κύβου του Ρούμπικ τριών επιπέδων χωρίς να καταστρέψει την αρχική δομή και το στοιχείο Α αφαιρείται. Στρίβοντας το μπλοκ του κύβου του Ρούμπικ που αντιπροσωπεύει το νέο στοιχείο πίσω στην αρχική του θέση, το υλικό φάσης MAX επιτυγχάνει "ισόμορφη υποκατάσταση".
Ο Huang Qing καθοδηγεί μεταπτυχιακούς φοιτητές. Πηγή: Ινστιτούτο Υλικών Ningbo, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
Φέρνοντας ατελείωτη φαντασία στην έρευνα υλικού
Ο συνεχής μετασχηματισμός και ο συνδυασμός των χημικών «μαγικών κύβων» έχουν φέρει ατελείωτη φαντασία στην έρευνα υλικών.
Με τη βοήθεια της μεθόδου δομικής επεξεργασίας με τη βοήθεια «χημικού ψαλιδιού», η ομάδα του Huang Qing ετοίμασε μια σειρά από νέα υλικά φάσης MAX που δεν μπορούν να συντεθούν με συμβατικές μεθόδους.
Μεταξύ αυτών, η εισαγωγή μη παραδοσιακών στοιχείων A-site, όπως μαγνητικά στοιχεία και πολύτιμα μέταλλα, αναμένεται να τα επεκτείνει από δομικά πεδία υψηλής θερμοκρασίας σε λειτουργικές εφαρμογές, όπως ο μαγνητισμός, η οπτοηλεκτρονική, η κατάλυση, η υπεραγωγιμότητα κ.λπ.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα του Huang Qing απέκτησε επίσης μια σειρά από νέα υλικά MXene, τα οποία αναμένεται να προωθήσουν την περαιτέρω εφαρμογή του MXene στην κατάλυση, την αποθήκευση ενέργειας, την ηλεκτρομαγνητική θωράκιση και άλλα πεδία.
«Αυτό ανοίγει έναν νέο δρόμο για τη σύνθεση υλικού, η οποία είναι μια κατευθυντική επιτυχία». Ο Chai Zhifang, ακαδημαϊκός του μέλους του CAS και επικεφαλής επιστήμονας του Advanced Energy Materials Engineering Laboratory του Ινστιτούτου Υλικών Ningbo, της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, εξήγησε ότι αυτή η μέθοδος είναι σαν να φτιάχνεις σάντουιτς σύμφωνα με το «γούστο» του καθενός. Σε δύο κομμάτια ψωμιού μπορούν να προστεθούν διαφορετικά υλικά, όπως κοτόπουλο, φιλέτα ψαριού, μαρούλι κ.λπ., για να πάρει ο καθένας ότι χρειάζεται.
Πολλά σημαντικά υλικά που έχουν τραβήξει μεγάλη προσοχή μπορούν να συντεθούν χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο και πιστεύω ότι θα τραβήξει όλο και περισσότερη προσοχή και εφαρμογές στο μέλλον», είπε ο Huang Qing.
