Als neues synthetisches Material kombiniert MAX die hervorragenden Eigenschaften von Metall- und Keramikmaterialien und hat gute Anwendungsaussichten in Bereichen wie ferroelektrischen Hochgeschwindigkeitsbögen, Hochtemperatur-Isolierabdeckungen und verschleißfesten Beschichtungen. Allerdings war die Herstellung solcher Materialien schon immer eine Herausforderung.
Huang Qing, ein Forscher am Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, leitete ein Team, das eine neue Methode vorschlug, mit der viele neue MAX-Phasen- und MXene-Materialien erzeugt werden können, die nicht auf herkömmlichen Wegen synthetisiert werden können, ähnlich dem „Twisting Rubik’s Cube“. ". Dies erweitert nicht nur den Anwendungsbereich solcher Materialien, sondern bringt auch unendliche Fantasie in die Materialsynthese. Am 17. März Pekinger Zeit wurden die Forschungsergebnisse offiziell in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Das Periodensystem fasst die Arten von Elementen zusammen, aus denen MAX-Phase und MXene bestehen. Hellblau stellt das M-Stellenelement dar, erdiges Braun stellt das A-Stellenelement dar, Schwarz stellt das X-Stellenelement dar, Grün stellt das Endgruppenelement dar und die eingekreisten Elemente sind die Elemente, die im Artikel experimentell verifiziert wurden. Quelle: Ningbo Institute of Materials, Chinesische Akademie der Wissenschaften
Special synthetic materials
Welche chemische Reaktion findet statt, wenn sich Metalle und Keramik „stark verbinden“?
As a special artificial synthetic material, MAX phase materials have always been one of the research hotspots in the field of materials. Huang Qing introduced that M represents pre transition metal elements; A represents the main group elements of IIIA and IVA; X represents carbon, nitrogen, or boron. M. The three types of elements in A and X can be arranged and combined differently to form various MAX phase materials.
Dank der einzigartigen nanoschichtigen Kristallstruktur kann dieses Material Strom und Wärme wie Metall leiten, ist weich und leicht zu verarbeiten und weist eine hohe Zähigkeit auf; Ähnlich wie Keramik weist es Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Strahlungskorrosionsbeständigkeit auf. Dies hat große Anwendungsaussichten in Bereichen wie Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnstromabnehmern, Hochtemperatur-Heizelementen, Turbinenschaufeln, Hochtemperatur-Isolierabdeckungen und verschleißfesten Beschichtungen ergeben.
Wenn Element A entfernt wird, wird das MAX-Phasenmaterial in einen neuen Materialtyp MXene umgewandelt. Es wird davon ausgegangen, dass die atomare Anordnung von MXen der von Graphen ähnelt und ein großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie optoelektronischen Geräten, elektrochemischer Energiespeicherung, elektromagnetischer Abschirmung, Oberflächenkatalyse und Trennmembranen aufweist.
Allerdings sind in den drei Rohstofftypen M, A und X einige Elemente nicht kompatibel. Es ist eine Herausforderung, ihnen ein friedliches Zusammenleben zu ermöglichen und hochwertige Materialien mit spezifischen Funktionen bereitzustellen.
Schematische Darstellung einer Strukturbearbeitungsstrategie für geschichtete Übergangsmetallkarbide mithilfe einer „chemischen Schere“. Quelle: Ningbo Institute of Materials, Chinesische Akademie der Wissenschaften
Zauberwürfel drehen, um neue Materialien vorzubereiten
Die Zusammensetzung und Struktur chemischer Elemente bestimmen die Eigenschaften von Materialien.
Um den Anwendungsanforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden, hoffen Wissenschaftler, die Mikrostruktur von MAX-Phasen- und MXene-Materialien genau regulieren und neue Materialien mit spezifischen Funktionen herstellen zu können.
As early as 2019, Huang Qing's team proposed a green preparation technology and successfully synthesized zinc MAX phase materials for the first time. The previous work was actually using an oxidizing 'chemical scissors' to etch elements between layers, that is, to reduce the elements we need to regulate, "Huang Qing said.
Can elements be reassembled after being etched? To verify this hypothesis, Huang Qing's team conducted multiple experiments. Finally, they discovered that metal, a reducing "chemical scissors," can reassemble two-dimensional MXene materials into three-dimensional MAX phase materials.
Huang Qing erklärte, dass MAX-Phasenmaterialien wie Bausteine seien, die aus drei Arten von Elementen bestehen: M, A und X, die nacheinander von links nach rechts gespleißt werden. Um das mittlere Element A zu „extrahieren“, mussten Wissenschaftler in der Vergangenheit drei Bausteine zerlegen, was einer Zerkleinerung der gesamten chemischen Struktur entsprach.
Und ihre vorgeschlagene neue Strategie ähnelt dem „Twisting Rubik’s Cube“, bei dem die mittlere Schicht des dreischichtigen Rubik’s Cube leicht verdreht wird, ohne die ursprüngliche Struktur zu beschädigen, und Element A entfernt wird. Durch Drehen des Zauberwürfelblocks, der das neue Element darstellt, zurück in seine ursprüngliche Position erreicht das MAX-Phasenmaterial eine „isomorphe Substitution“.
Huang Qing betreut Doktoranden. Quelle: Ningbo Institute of Materials, Chinesische Akademie der Wissenschaften
Bringen Sie grenzenlose Fantasie in die Materialforschung
Die kontinuierliche Transformation und Kombination chemischer „Zauberwürfel“ hat der Materialforschung grenzenlose Fantasie beschert.
Mit Hilfe der durch die „chemische Schere“ unterstützten Strukturbearbeitungsmethode hat das Team von Huang Qing eine Reihe neuer MAX-Phasenmaterialien hergestellt, die mit herkömmlichen Methoden nicht synthetisiert werden können.
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.
Using this method, Huang Qing's team has also obtained a series of new MXene materials, which are expected to promote the further application of MXene in catalysis, energy storage, electromagnetic shielding, and other fields.
„Dies eröffnet einen neuen Weg für die Materialsynthese, was ein richtungsweisender Erfolg ist.“ Chai Zhifang, Akademiker des CAS-Mitglieds und leitender Wissenschaftler des Advanced Energy Materials Engineering Laboratory des Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte, dass diese Methode so sei, als würde man Sandwiches nach jedem „Geschmack“ zubereiten. Zu zwei Brotstücken können verschiedene Zutaten wie Hähnchen, Fischfilets, Salat usw. hinzugefügt werden, sodass jeder das bekommen kann, was er braucht.
Many important materials that have received much attention can be synthesized using this method, and I believe it will receive more and more attention and applications in the future, "Huang Qing said.
