Čo sú to MXény a prečo by mohli konkurovať grafénu

Nová trieda 2D zázračných materiálov

Grafén sa dostal na titulky ako zázračný materiál desaťročia 2010 – jediná vrstva atómov uhlíka s mimoriadnou pevnosťou a vodivosťou. Ale v laboratóriách po celom svete potichu naberá na sile konkurenčná skupina dvojrozmerných materiálov. Nazývajú sa MXény (vyslovuje sa "max-ény") a mnohí vedci veria, že by mohli nakoniec prekonať grafén v praktických aplikáciách.

MXény sú atómovo tenké vrstvy karbidov, nitridov alebo karbonitridov prechodných kovov. Doteraz bolo syntetizovaných viac ako 30 rôznych typov a ďalšie stovky boli predpovedané výpočtovo – čo z nich robí potenciálne najväčšiu triedu 2D materiálov známych vede.

Ako boli MXény objavené

Príbeh sa začína šťastnou náhodou. V roku 2011 na Drexel University vo Philadelphii, doktorand Michael Naguib testoval keramický materiál nazývaný MAX fáza ako potenciálnu anódu lítium-iónovej batérie. Keď aplikoval koncentrovanú kyselinu fluorovodíkovú na karbid titánu a hliníka (Ti₃AlC₂), kyselina selektívne odleptala vrstvu hliníka a zanechala za sebou ultratenké vrstvy karbidu titánu.

Tím z Drexelu – Naguib, Michel Barsoum a Yury Gogotsi – si uvedomili, že vytvorili niečo nové. Pomenovali to MXén kombináciou "MX" (vrstvy, ktoré zostali po odstránení "A" z MAX fázy) s príponou "-én", čím nadviazali na grafén a ďalšie 2D materiály.

Čím sú MXény špeciálne

MXény vynikajú, pretože kombinujú niekoľko žiaducich vlastností v jednom materiáli:

• Kovová vodivosť – vedú elektrinu rovnako dobre ako kovy a na rozdiel od grafénu, filmy vyrobené z prekrývajúcich sa MXénových vločiek si zachovávajú vysokú vodivosť jednotlivých vrstiev.
• Nastaviteľná povrchová chémia – ich povrchy môžu byť zakončené kyslíkom, hydroxylovou skupinou, fluórom, chlórom alebo inými skupinami, čo umožňuje vedcom jemne doladiť správanie pre špecifické aplikácie.
• Hydrofilnosť – MXény prirodzene priťahujú vodu, čo uľahčuje ich spracovanie na atramenty, povlaky a kompozity bez použitia agresívnych rozpúšťadiel.
• Mechanická pevnosť a flexibilita – sú pevné aj ohybné, užitočné pre nositeľnú elektroniku a flexibilné zariadenia.

Významný prelom, ktorý bol publikovaný v Nature Synthesis, demonštroval novú "trojfázovú" metódu využívajúcu roztavené soli a jódové pary na výrobu ultračistých MXénov s dokonale usporiadanými povrchmi. Výsledok: 160-násobné zvýšenie elektrickej vodivosti v porovnaní s konvenčne vyrobenými MXénmi, spolu s takmer štvornásobným zvýšením pohyblivosti nosičov náboja.

Kde sa MXény používajú

Ukladanie energie

Vysoká vodivosť a vynikajúca interkalácia iónov robia z MXénov sľubné elektródové materiály pre batérie a superkondenzátory. Ich vrstvená štruktúra umožňuje lítium, sodík a ďalším iónom rýchlo preniknúť medzi vrstvy, čo umožňuje rýchlejšie nabíjanie a vyššiu hustotu energie.

Elektromagnetické tienenie

Aj pri minimálnych hrúbkach môžu MXénové filmy blokovať elektromagnetické rušenie v širokom spektre – od rádiových frekvencií po terahertzové vlny. Vďaka tomu sú atraktívne na ochranu citlivej elektroniky v smartfónoch, medicínskych zariadeniach a vojenskom vybavení, ako sa uvádza vo výskume publikovanom v Nature Reviews Electrical Engineering.

Senzory a medicína

Veľká povrchová plocha a chemická citlivosť MXénov ich robia efektívnymi v biosenzoroch schopných detekovať minimálne koncentrácie biomarkerov. Vedci tiež skúmajú ich použitie v cielenom podávaní liekov a fototermálnej liečbe rakoviny.

Ako ďaleko sú MXény od bežného života?

Očakáva sa, že trh s MXénmi porastie z približne 50 miliónov dolárov v roku 2026 na 290 miliónov dolárov do roku 2032, podľa MarketsandMarkets, čo odráža zloženú ročnú mieru rastu približne 36 %. Analytici z Chemical & Engineering News prirovnali súčasnú trajektóriu MXénov k situácii, v ktorej sa grafén nachádzal zhruba pred desiatimi rokmi – po fáze humbuku a vstupuje do seriózneho komerčného vývoja.

Výzvy pretrvávajú. Zvyšovanie produkcie pri zachovaní čistoty potrebnej pre vysoký výkon je náročné. Oxidácia vo vlhkom vzduchu môže časom degradovať MXénové vrstvy a pôvodné metódy syntézy vyžadovali nebezpečnú kyselinu fluorovodíkovú, hoci novšie techniky túto požiadavku eliminujú.

Napriek tomu, s viac ako 30 už vyrobenými kompozíciami a stovkami ďalších teoreticky možných, MXény ponúkajú nastaviteľnosť, ktorej sa nevyrovná žiadny iný materiál. Ako sa metódy syntézy zlepšujú a náklady klesajú, tieto tenké vrstvy karbidu kovu sa môžu potichu stať základom elektroniky, energetických systémov a senzorov novej generácie.