חוקרי דרקסל ו-UCLA עורכים את המיקרוסקופיה הראשונה של מנהור הסריקה וניתוח ספקטרוסקופיה של חומר דו-ממדי ייחודי.
טכניקות הדמיה מתקדמות חשפו את הכימיה המורכבת של פני השטח של MXenes, חומר מבטיח ליישומי אנרגיה וטלקומוניקציה, שעלול להוביל לפונקציונליות מותאמות אישית לשימושים ספציפיים.
בעשור שחלפו מאז גילוים באוניברסיטת דרקסל, משפחת MXene של חומרים דו מימדיים הוכיחה פוטנציאל משמעותי ליישומים החל מהתפלת מים ואגירת אנרגיה ועד מיגון אלקטרומגנטי וטלקומוניקציה, בין היתר. בעוד שמקורות הרבגוניות שלהם הועלו על ידי חוקרים רבות, מחקר שנערך לאחרונה בראשות אוניברסיטת דרקסל ואוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, הציע את התובנה הברורה הראשונה לגבי המבנה הכימי של פני השטח שעומד בבסיס היכולות של MXenes.
באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות, הידועות כמיקרוסקופיית מנהור סריקה (STM) וספקטרוסקופיית מנהור סריקה (STS), הצוות, הכולל גם חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה סטייט נורת'רידג' והמעבדה הלאומית לורנס ברקלי, מיפה את הטופוגרפיה האלקטרוכימית של פני השטח של טיטניום קרביד MXene. – החבר הנחקר והנפוץ ביותר במשפחה. הממצאים שלהם, שפורסמו בגיליון 5 שנים של כתב העת Cell Press חוֹמֶריעזור להסביר את מגוון המאפיינים שהציגו בני משפחת MXene ויאפשר לחוקרים להתאים חומרים חדשים ליישומים ספציפיים.
חשיבותה של כימיה פני השטח
"הרבה מהתוצאות הפוטנציאליות של MXenes מהכימיה העשירה של פני השטח שלהם", אמר יורי גוגוצי, דוקטורט, אוניברסיטה מכובדת ופרופסור באך במכללה להנדסה של דרקסל, מחבר ראשי של המחקר, שקבוצת המחקר שלו השתתפה בגילוי החומרים ב-2011. "השגת מבט ראשון בקנה מידה אטומי על פני השטח שלהם, באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק, הוא פיתוח מרגש שיפתח אפשרויות חדשות לשליטה על פני החומר ולאפשר יישומים של MXenes בטכנולוגיות מתקדמות."
למרות ש-MXenes הם חומרים דו מימדיים, האינטראקציה שהיא הבסיס לתכונות הכימיות, האלקטרוכימיות והקטליטיות שלהם – בין אם זה אחסון מהיר במיוחד של אנרגיה חשמלית, פיצול מים להפקת מימן או הרחקת אוריאה מהדם – מתחילה על ידי האטומים. היוצרים את שכבת פני השטח שלהם.
מחקרים קודמים סיפקו מבט ברזולוציה נמוכה יותר על המבנה הכימי של משטחי MXene, תוך שימוש בטכנולוגיה כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM), ספקטרוסקופיה מסה יונים משנית (SIMS) וספקטרוסקופיה של ראמאן משופרת (TERS). כלים אלה מציעים קריאות עקיפות של הרכב החומר, אך מספקים מעט מידע על המורכבויות של ארגון פני השטח שלו.
מיקרוסקופ מנהור סורק וספקטרוסקופיה מנהור סורקת, לעומת זאת, מספקים מידע ישיר יותר על הצורה וההרכב של מבנה פני השטח של החומר, כמו גם כימיה ותכונות פני השטח שלו.
ניתוח משטח מפורט
כלים אלה משתמשים בבדיקה חדה במיוחד, רגישה מספיק כדי להבחין באחד אָטוֹם מאחר שהוא סורק על פני משטח שטוח. קצה הגשושית נושא מטען חשמלי המאפשר לו ליצור אינטראקציה עם כל אטום כשהוא חולף על פניו, אינטראקציה זו – הנקראת מנהור קוונטי – מספקת מידע על האטומים על פני החומר. סריקות ספקטרוסקופיות מספקות מידע על הרכב פני השטח ברמה האטומית והמולקולרית. הסריקות מומרות לתמונות ויוצרות מפות טופוגרפיות של פני החומר.
"עם STM/STS, אנו יכולים לראות סידורים אטומיים על פני השטח של MXenes ואפילו ללמוד את המוליכות שלהם ברזולוציה אטומית", אמר גוגוצי. "זהו המפתח להבנה מדוע ל-MXenes יש תכונות קיצוניות וביצועים טובים יותר מחומרים אחרים ביישומים רבים. זה אמור לעזור לנו גם לחקור את התכונות הקוונטיות של MXenes ולזהות הזדמנויות חדשות למשפחת החומרים המתרחבת במהירות זו."
איתור קבוצות של אטומים – הנקראות קבוצות פונקציונליות – זיהוים ומדידת תכונותיהם על פני השטח, בהתחשב במיקומם הספציפיים והתקשרותם, הם כל התפתחויות חשובות להבנת האופן שבו MXenes מתקשרים עם כימיקלים וחומרים אחרים, על פי החוקרים.
"משטחי ה-MXene הם הטרוגניים מבחינה כימית. זה גם מה שהופך אותם למעניינים וגם מה שמקשה עליהם ללמוד", אמר פול וייס, דוקטורט, פרופסור מכובד ויו"ר נשיאות באוניברסיטת קליפורניה. UCLA שהוביל את המחקר עם גוגוצי. "אנחנו מאמינים שזה גם המפתח למאפיינים המדהימים שלהם. עם זאת, אנחנו עדיין לא יודעים אילו פונקציות כימיות חשובות לאיזה יישומים".
הדמיית STM/STS של הקבוצה הראתה מאפיינים של 10 ננומטר על פני השטח של ה-MXene, ככל הנראה צבירי תחמוצת טיטניום, ובליטות קטנות יותר, ערוכים בסימטריה משושה מעוותת, שנחשבו לקבוצות פונקציונליות, שאותן הם המשיכו לזהות כימית.
תוצאות המחקר הזה היו עקביות עם תיאוריות קודמות, מיקרוסקופיה ברזולוציה נמוכה יותר ונתונים ספקטרליים על פני השטח של טיטניום קרביד MXenes, כולל התחזית שהשטח שלהם מתכתי. עם זאת, מבט מקרוב על הפגמים פני השטח ואופי ההטרוגניות שלו הוא צעד חשוב בהבנת האופן שבו הם משפיעים על התנהגות החומר, על פי הצוות.
"בעבודה זו התחלנו למשוך בחוטים. הצלחנו לצלם ולהתחיל להקצות חלק מהפונקציונליות הכימית", אמר וייס. "אחד ההיבטים הלא ידועים המעניינים ביותר של MXenes הוא התפקידים של הפגמים וההטרוגניות שלהם בתפקוד וביציבות הסביבתית שלהם. כעת יש לנו רגל בדלת כדי לחקור את התפקידים הללו".
בהסתמך על המומחיות הקולקטיבית של מדעני החומרים של דרקסל, קבוצות STM במעבדה הלאומית של UCLA ולורנס ברקלי, ומדענים תיאורטיים ב-Cal State Northridge, הקבוצה תמשיך בניתוח קפדני של החומרים תוך שהיא מתארת תהליך לשינוי ההרכב הכימי שלהם. כדי לכוון את הפונקציונליות שלהם לשימושים שונים.
המחקר מומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי.