Som et nyt syntetisk materiale kombinerer MAX de fremragende egenskaber fra både metal og keramiske materialer og har gode anvendelsesmuligheder inden for områder som højhastigheds ferroelektriske buer, højtemperaturisoleringsbetræk og slidbestandige belægninger. Forberedelsen af sådanne materialer har dog altid været en udfordring.
Huang Qing, en forsker ved Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences, førte et hold til at foreslå en ny metode, der kan skabe mange nye MAX-fase- og MXene-materialer, der ikke kan syntetiseres gennem konventionelle veje, svarende til "Twisting Rubik's Cube" ". Dette udvider ikke kun anvendelsesområdet for sådanne materialer, men bringer også uendelig fantasi til materialesyntese. Den 17. marts Beijing-tid blev forskningsresultaterne officielt offentliggjort i tidsskriftet Science.
Det periodiske system opsummerer de typer af elementer, der udgør MAX fase og MXene. Lyseblå repræsenterer M-site-elementet, jordagtig brun repræsenterer A-site-elementet, sort repræsenterer X-site-elementet, grøn repræsenterer terminalgruppeelementet, og de cirklede elementer er de elementer, der er blevet eksperimentelt verificeret i artiklen. Kilde: Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences
Særlige syntetiske materialer
Hvilken slags kemisk reaktion vil der opstå, når metaller og keramik "kombinerer stærkt"?
Som et særligt kunstigt syntetisk materiale har MAX-fasematerialer altid været et af forsknings-hotspots inden for materialer. Huang Qing introducerede, at M repræsenterer metalelementer før overgangen; A repræsenterer hovedgruppeelementerne i IIIA og IVA; X repræsenterer carbon, nitrogen eller bor. M. De tre typer af elementer i A og X kan arrangeres og kombineres forskelligt for at danne forskellige MAX-fasematerialer.
Takket være den unikke nanolagdelte krystalstruktur kan denne type materiale lede elektricitet og varme som metal, er blødt og nemt at behandle og har høj sejhed; I lighed med keramik har det egenskaber såsom oxidationsmodstand, høj temperaturbestandighed og strålingskorrosionsbestandighed. Dette har vist store anvendelsesmuligheder inden for områder som højhastighedsjernbanestrømaftagere, højtemperaturvarmeelementer, turbinevinger, højtemperaturisoleringsdæksler og slidbestandige belægninger.
Hvis element A fjernes, vil MAX-fasematerialet blive udledt til en ny type materiale MXene. Det er underforstået, at det atomare arrangement af MXene ligner det for grafen, og det har et stort potentiale for anvendelse inden for områder som optoelektroniske enheder, elektrokemisk energilagring, elektromagnetisk afskærmning, overfladekatalyse og separationsmembraner.
I de tre typer råmaterialer M, A og X er nogle elementer dog ikke kompatible. Det er en udfordring at lade dem sameksistere fredeligt og forberede materialer af høj kvalitet med specifikke funktioner.
Skematisk diagram af strukturredigeringsstrategi for lagdelte overgangsmetalkarbider assisteret af "kemiske sakse" Kilde: Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences
Vrid Rubiks terning for at forberede nye materialer
The composition and structure of chemical elements determine the properties of materials.
For at imødekomme anvendelsesbehovene for forskellige områder håber forskerne at kunne regulere mikrostrukturen af MAX-fase- og MXene-materialer nøjagtigt og forberede nye materialer med specifikke funktioner.
Så tidligt som i 2019 foreslog Huang Qings team en grøn forberedelsesteknologi og syntetiserede med succes zink MAX-fasematerialer for første gang. Det tidligere arbejde var faktisk at bruge en oxiderende 'kemisk saks' til at ætse elementer mellem lag, det vil sige for at reducere de elementer, vi skal regulere, "sagde Huang Qing.
Kan elementer samles igen efter ætsning? For at bekræfte denne hypotese udførte Huang Qings team flere eksperimenter. Endelig opdagede de, at metal, en reducerende "kemisk saks", kan gensamle todimensionelle MXene-materialer til tredimensionelle MAX-fasematerialer.
Huang Qing forklarede, at MAX-fasematerialer er som byggeklodser, sammensat af tre typer elementer: M, A og X, som er sekventielt splejset fra venstre mod højre. Tidligere, for at skære det midterste element A, var forskerne nødt til at nedbryde tre byggesten, svarende til at knuse hele den kemiske struktur, for at "udtrække" det midterste element A.
Og deres foreslåede nye strategi ligner "Twisting Rubik's Cube", som en smule vrider det midterste lag af den tre-lags Rubik's Cube uden at beskadige den originale struktur, og element A fjernes. Ved at dreje Rubik's Cube-blokken, der repræsenterer det nye element, tilbage til sin oprindelige position, opnår MAX-fasematerialet "isomorf substitution".
Huang Qing vejleder kandidatstuderende. Kilde: Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences
At bringe uendelig fantasi til materialeforskning
Den kontinuerlige transformation og kombinationen af kemiske "magiske terninger" har bragt endeløs fantasi til materialeforskning.
Ved hjælp af den "kemiske saks" assisterede strukturelle redigeringsmetode har Huang Qings team udarbejdet en række nye MAX-fasematerialer, som ikke kan syntetiseres med konventionelle metoder.
Among them, the introduction of non-traditional A-site elements, such as magnetic elements and precious metals, is expected to expand them from high-temperature structural fields to functional applications, such as magnetism, optoelectronics, catalysis, superconductivity, etc.
Ved hjælp af denne metode har Huang Qings team også opnået en række nye MXene-materialer, som forventes at fremme den videre anvendelse af MXene i katalyse, energilagring, elektromagnetisk afskærmning og andre felter.
"Dette åbner en ny måde for materialesyntese, som er en retningsbestemt succes." Chai Zhifang, en akademiker fra CAS-medlemmet og chefforsker ved Advanced Energy Materials Engineering Laboratory ved Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences, forklarede, at denne metode er som at lave sandwich efter alles "smag". Forskellige ingredienser kan tilsættes to stykker brød, såsom kylling, fiskefileter, salat osv., så alle kan tage det, de skal bruge.
Mange vigtige materialer, der har fået meget opmærksomhed, kan syntetiseres ved hjælp af denne metode, og jeg tror, at det vil få mere og mere opmærksomhed og anvendelser i fremtiden," sagde Huang Qing.
