MXeny, największa znana rodzina dwuwymiarowych nanomateriałów odkryta na Uniwersytecie Drexel w 2011 roku, liczy już ponad 50 unikalnych materiałów o grubości zaledwie 1 nanometra. To mniej więcej sto tysięcy razy cieńsze niż ludzki włos. Najnowsze badania ujawniły kluczowe zasady termodynamiczne decydujące o ich strukturze i właściwościach.
Dlaczego MXeny są tak wyjątkowe?
Przełomowe odkrycie przyszło ze strony wspólnego zespołu z Uniwersytetu Drexel i Purdue University, któremu udało się zsyntetyzować 40 różnych materiałów z rodziny MXene, w tym 30 zupełnie nowych dla nauki. Najciekawszy wniosek dotyczył liczby metali w strukturze materiału. Gdy w fazach MAX – materiałach macierzystych MXenów – wykorzystywano do 6 różnych metali, atomy układały się w uporządkowany, przewidywalny sposób. Jednak dodanie 7 lub kolejnego metalu powodowało dramatyczną zmianę.
Czytaj też: Przełomowy nanomateriał. Zbiera wodę bezpośrednio z powietrza bez użycia energii
Zjawisko to można wytłumaczyć poprzez porównanie do przygotowywania kanapki. Kiedy składniki trafiają do “magicznego pudełka” – w tym przypadku pieca rozgrzanego do 1600oC – przy mniejszej liczbie składników zawsze układają się w określonej kolejności. Dodanie zbyt wielu elementów sprawia, że układ staje się całkowicie losowy.
Odkrycie to ma znaczenie wykraczające poza czysto akademickie rozważania. Naukowcy dostrzegają w nim fundament dla wykorzystania sztucznej inteligencji w projektowaniu nowych nanomateriałów. Dla Yury’ego Gogotsiego z Drexel University kluczowe było najpierw zrozumienie sił elektrochemicznych tworzących te materiały, zanim można będzie w pełni wykorzystać potencjał AI.
Yury Gogotsi z Uniwersytetu Drexel mówi:
To jest dokładnie ten obszar, w którym sztuczna inteligencja stanie się technologią umożliwiającą.
Babak Anasori z Purdue widzi jeszcze szerszą perspektywę zastosowania tych odkryć. Jego zdaniem wskazówki płynące z nauki obliczeniowej, uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji będą niezbędne do nawigowania w “nieskończonym morzu nowych materiałów”.
MXeny to ultracienkie arkusze węglików i azotków – materiałów takich jak węglik tytanu czy węglik wolframu, ale o grubości zaledwie jednego nanometra. Ich potencjalne zastosowania obejmują medycynę, elektronikę, nanourządzenia i magazynowanie energii. Szczególnie obiecujące wydają się możliwości wykorzystania w ekstremalnych warunkach, gdzie tradycyjne materiały często zawodzą.
Babak Anasori z Uniwersytetu Purdue tłumaczy:
Chcemy nadal przesuwać granice tego, co materiały mogą zrobić, zwłaszcza w ekstremalnych środowiskach, gdzie obecne materiały zawodzą. Ostatecznym celem jest stworzenie materiałów, które mogą przewyższyć wszystko, co obecnie znane ludzkości.
Anasori wymienia konkretne przykłady: zwiększenie zasięgu pojazdów elektrycznych w ekstremalnie niskich temperaturach, materiały funkcjonujące w kosmosie czy wytrzymujące głębinowe warunki oceaniczne. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Science mogą zapoczątkować nową erę w projektowaniu materiałów. Dla przemysłu oznacza to możliwość precyzyjnego projektowania materiałów o zadanych właściwościach, zamiast polegania na przypadkowych eksperymentach.