Co jsou to MXeny a proč by mohly konkurovat grafenu?

Nová třída 2D zázračných materiálů

Grafen se v prvním desetiletí 21. století dostal na titulní stránky jako zázračný materiál – jediná vrstva atomů uhlíku s mimořádnou pevností a vodivostí. Ale v laboratořích po celém světě tiše získává na popularitě konkurenční rodina dvourozměrných materiálů. Nazývají se MXeny (vyslovuje se "max-íny") a mnozí vědci se domnívají, že by nakonec mohly grafen v praktických aplikacích překonat.

MXeny jsou atomárně tenké vrstvy karbidů, nitridů nebo karbonitridů přechodných kovů. Dosud bylo syntetizováno více než 30 různých typů a stovky dalších jsou předpovídány výpočetně – což z nich činí potenciálně největší třídu 2D materiálů známých vědě.

Jak byly MXeny objeveny

Příběh začíná šťastnou náhodou. V roce 2011 na Drexel University ve Filadelfii testoval doktorand Michael Naguib keramický materiál zvaný MAX fáze jako potenciální anodu lithium-iontové baterie. Když na karbid titanu a hliníku (Ti₃AlC₂) aplikoval koncentrovanou kyselinu fluorovodíkovou, kyselina selektivně odleptala hliníkovou vrstvu a zanechala ultratenké vrstvy karbidu titanu.

Tým z Drexelu – Naguib, Michel Barsoum a Yury Gogotsi – si uvědomil, že vytvořili něco nového. Pojmenovali to MXen kombinací "MX" (vrstvy, které zbyly po odstranění "A" z MAX fáze) s příponou "-en", což připomíná grafen a další 2D materiály.

Čím jsou MXeny výjimečné

MXeny vynikají tím, že kombinují několik žádoucích vlastností v jediném materiálu:

• Kovová vodivost – vedou elektřinu stejně dobře jako kovy a na rozdíl od grafenu si filmy vyrobené z překrývajících se vloček MXenu zachovávají vysokou vodivost jednotlivých vrstev.
• Laditelná povrchová chemie – jejich povrchy mohou být zakončeny kyslíkem, hydroxylovou skupinou, fluorem, chlorem nebo jinými skupinami, což vědcům umožňuje jemně doladit chování pro specifické aplikace.
• Hydrofilita – MXeny přirozeně přitahují vodu, což usnadňuje jejich zpracování na inkousty, povlaky a kompozity bez použití agresivních rozpouštědel.
• Mechanická pevnost a flexibilita – jsou pevné i ohebné, což je užitečné pro nositelnou elektroniku a flexibilní zařízení.

Významný průlom publikovaný v Nature Synthesis demonstroval novou "trifázickou" metodu využívající roztavené soli a páry jodu k výrobě ultračistých MXenů s dokonale uspořádanými povrchy. Výsledkem je 160násobné zvýšení elektrické vodivosti ve srovnání s konvenčně vyráběnými MXeny, spolu s téměř čtyřnásobným zvýšením mobility nosičů náboje.

Kde se MXeny používají

Ukládání energie

Vysoká vodivost a vynikající iontová interkalace činí z MXenů slibné elektrodové materiály pro baterie a superkondenzátory. Jejich vrstvená struktura umožňuje lithiu, sodíku a dalším iontům rychle prokluzovat mezi vrstvami, což umožňuje rychlejší nabíjení a vyšší hustotu energie.

Elektromagnetické stínění

I při minimálních tloušťkách mohou filmy MXenu blokovat elektromagnetické rušení v širokém spektru – od rádiových frekvencí po terahertzové vlny. Díky tomu jsou atraktivní pro ochranu citlivé elektroniky v chytrých telefonech, lékařských zařízeních a vojenském vybavení, jak uvádí výzkum publikovaný v Nature Reviews Electrical Engineering.

Senzory a medicína

Velký povrch a chemická citlivost MXenů je činí účinnými v biosenzorech schopných detekovat nepatrné koncentrace biomarkerů. Vědci také zkoumají jejich použití v cíleném podávání léků a fototermální léčbě rakoviny.

Jak daleko jsou MXeny od běžného života?

Podle společnosti MarketsandMarkets se očekává, že trh s MXeny poroste z přibližně 50 milionů dolarů v roce 2026 na 290 milionů dolarů do roku 2032, což odráží složenou roční míru růstu přibližně 36 %. Analytici z Chemical & Engineering News přirovnali současnou trajektorii MXenů k situaci, v jaké se grafen nacházel zhruba před deseti lety – po fázi humbuku a vstupující do seriózního komerčního vývoje.

Stále existují výzvy. Zvyšování produkce při zachování čistoty potřebné pro vysoký výkon je obtížné. Oxidace ve vlhkém vzduchu může časem degradovat vrstvy MXenu a původní metody syntézy vyžadovaly nebezpečnou kyselinu fluorovodíkovou, i když novější techniky tuto potřebu eliminují.

Přesto, s více než 30 již vyrobenými kompozicemi a stovkami dalších teoreticky možných, nabízejí MXeny laditelnost, které se žádný jednotlivý materiál nemůže rovnat. Jak se metody syntézy zlepšují a náklady klesají, mohou se tyto tenké vrstvy karbidu kovu tiše stát páteří elektroniky, energetických systémů a senzorů nové generace.