Vässad kemisk sax banar väg för skräddarsydda nanomaterial

Med hjälp av en ”kemisk sax” går det att skräddarsy tunna material på atomnivå. Det visar en studie publicerad i Science där forskare vid Linköpings universitet har ingått i den internationella forskargrupp som utvecklat metoden. Resultaten banar väg för nya material som kan användas för framtidens hållbara elproduktion, energilagring och elektronik.

Material som endast är ett eller ett par atomlager tunna är ett högintensivt forskningsfält och kallas ofta för tvådimensionella material. Det mest kända exemplet är grafen, vars upptäckt uppmärksammades med ett Nobelpris 2010. Tack vare att materialen är så tunna i förhållande till sin vikt eller volym kan de få oväntade egenskaper som god ledningsförmåga för elektricitet och värme eller extrem värmetålighet.

En klass sådana tvådimensionella material kallas MXener. De består av en metall i kombination med antingen kol- eller kväveatomer. Till skillnad från andra tvådimensionella material är MXener metalliskt ledande. Egenskaperna hos MXener gör att de kan komma att användas i tekniska tillämpningar som batterier och superkondensatorer, luft- och vattenreningsfilter samt antenner för nästa generations kommunikation.

Nu har forskare vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i USA och Kina utvecklat en ny metod där nya MXener kan utvecklas och skräddarsys på atomnivå med hjälp av en ”kemisk sax”.

– Atomerna blir som Lego-bitar som går att flytta och byta som man vill i strukturen. Möjligheterna att utveckla nya material med spännande och oväntade egenskaper är nu vidöppna tack vare den kemiska saxen, säger Per Persson, professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.

En ”kemisk sax” är en molekyl som är utformad för att reagera med specifika kemiska föreningar. På så sätt kan bindningarna i ett material brytas på exakt rätt ställe. Tekniken har funnits i över ett decennium för att bryta bindningar mellan kol och väte i organiska molekyler. Men det forskarna nu visat, i en artikel i Science, är att saxen också kan bryta starka bindningar i tvådimensionella material som MXener.

För att skapa MXener utgår man från ett tredimensionellt grundmaterial som kallas för MAX-struktur. Det består av tre olika ämnen: M är en övergångsmetall, A är ett grundämne som aluminium eller kisel, och X är kol eller kväve. Genom att ta bort A-delen med syror skapas ett tvådimensionellt material – MXener.

Tidigare har MXener varit begränsade av tillverkningsmetoden och antalet befintliga MAX-strukturer. Det innebar att det gick att tillverka ett trettiotal MXener i praktiken, men precisionen i tillverkningen var begränsad. Genom att använda den ”kemiska saxen” redan på MAX-strukturen kan helt nya MXener skapas.

– Nu kan vi utveckla tidigare otänkbara material med hög precision, där vi kan klippa isär strukturer och sy ihop dem igen som vi vill, samt styra deras egenskaper så att nya tillämpningar blir möjliga, säger Per Eklund, professor vid IFM.

Studien finansierades bland annat av det strategiska forskningsområdet för avancerade funktionella material – AFM – vid Linköpings universitet, den svenska forskningsinfrastrukturen för elektronmikroskopi – ARTEMI samt Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Artikeln: Chemical scissor–mediated structural editing of layered transition metal carbides; Haoming Ding, Youbing Li, Mian Li, Ke Chen, Kun Liang, Guoxin Chen, Jun Lu, Justinas Palisaitis, Per O. Å. Persson, Per Eklund, Lars Hultman, Shiyu Du, Zhifang Chai, Yury Gogotsi, Qing Huang; Science Vol 379; publicerad online 16 mars 2023. DOI: 10.1126/science.add5901.

Kontakt

Per Persson, professor, per.persson@liu.se, 013-28 12 48

Per Eklund, professor, per.eklund@liu.se, 013-28 89 40