MXeny to odkryta w 2011 roku rodzina karbidów i azotków metali przejściowych o strukturze warstwowej. Wyróżniają się wysoką przewodnością elektryczną, dużą podatnością na modyfikacje oraz nietypową chemią powierzchniową. Dzięki grubości rzędu kilku atomów stanowią jedne z najbardziej obiecujących materiałów nanotechnologicznych. Już teraz są postrzegane jako kluczowe komponenty technologii, które muszą pracować w warunkach przekraczających możliwości tradycyjnych materiałów.
Zespół kierowany przez Babaka Anasoriego z Uniwersytetu Purdue postanowił sprawdzić, jak bardzo można przesunąć granice projektowania MXenów. Naukowcy stworzyli prawie 40 wariantów materiałów, łącząc w ich strukturze od dwóch do dziewięciu metali przejściowych. Badania pozwoliły im przeanalizować subtelne zjawisko równowagi między entropią, czyli dążeniem do nieuporządkowania, a entalpią, która sprzyja tworzeniu uporządkowanych układów atomowych.
Czytaj także: Zachowanie tych materiałów przeczy przewidywaniom. Polacy zajęli się ich badaniem
Wyniki były jednoznaczne: przy niewielkiej liczbie składników (od dwóch do sześciu) warstwy zawsze układają się w sposób regularny. Jednak im więcej metali dodano, tym bardziej struktura stawała się chaotyczna. W takich przypadkach pojawia się tzw. faza wysokiej entropii, w której atomy nie przyjmują sztywnego wzoru, lecz rozmieszczają się w sposób trudny do przewidzenia. Zrozumienie tego przejścia jest kluczowe dla opracowania materiałów stabilnych w warunkach skrajnych – przy wysokich temperaturach, ciśnieniach czy w agresywnym środowisku chemicznym.
Aby uzyskać tak złożone układy, badacze najpierw wytwarzali tzw. fazy macierzyste MAX – warstwowe materiały, które następnie przekształcano w MXeny. Dzięki temu mogli szczegółowo przeanalizować zarówno właściwości powierzchniowe, jak i zachowanie elektronów w nowych strukturach. Udało się powiązać stopień uporządkowania atomów z funkcjonalnością materiału, co stanowi ważny krok na drodze do świadomego projektowania MXenów o określonych cechach.
Badania pokazują również, że nawet w warunkach dużego nieuporządkowania lokalne, krótkosiężne uporządkowanie atomów ma istotny wpływ na stabilność i właściwości materiałów. Poszerza to zakres znanych rodzin ceramik warstwowych i materiałów dwuwymiarowych, a jednocześnie otwiera drogę do wykorzystania zjawisk entropijnych w praktycznych zastosowaniach.
dCzytaj także: Chińczycy ściskają metale, aż robią się dwuwymiarowe
Laboratorium Anasoriego koncentruje się na opracowywaniu MXenów, które sprawdzają się tam, gdzie zawodzą materiały konwencjonalne. Mowa m.in. o ekranowaniu fal elektromagnetycznych, ultracienkich antenach do komunikacji nowej generacji czy rozwiązaniach przystosowanych do pracy w kosmosie lub w głębinach oceanów. Wizja badaczy obejmuje także materiały zdolne do wspierania rozwoju czystej energii, wydłużania zasięgu pojazdów elektrycznych w skrajnych temperaturach czy zwiększania odporności komponentów lotniczych na ekstremalne warunki środowiskowe.
Prace zostały sfinansowane przez agencje badawcze ze Stanów Zjednoczonych, Polski i Korei, a ich wyniki opublikowano w prestiżowym periodyku Science. To nie tylko techniczny sukces, lecz także dowód, że zrozumienie współdziałania porządku i nieporządku na poziomie atomowym może prowadzić do opracowania zupełnie nowych klas materiałów o wyjątkowych właściwościach.