Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

Zweidimensionale Materialien sind eine Familie von Substanzen, die so dünn sind, dass sie nur wenige Atome dick sind, und dennoch über bemerkenswerte Festigkeit und elektrische Eigenschaften verfügen, die sie für alles von schnelleren Computern bis hin zu effizienteren Batterien wertvoll machen. Unter diesen hat eine spezifische Gruppe namens MXene die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen, da sie aus Schichten von Metall und Kohlenstoff oder Stickstoff bestehen, die man wie die Seiten in einem Buch auseinanderblättern kann. Seit über einem Jahrzehnt wissen Forscher, wie man diese Materialien herstellt, indem man mit einem festen Block einer verwandten Verbindung beginnt und chemisch eine Art von Atom wegätzt, um die Schichten zurückzulassen. Diese traditionelle Methode ist jedoch langsam, erfordert oft gefährliche Chemikalien und wurde bisher nur verwendet, um eine begrenzte Anzahl spezifischer Arten herzustellen. Die große Frage, vor der das Fachgebiet stand, war, ob die bekannte Liste dieser Materialien wirklich vollständig war oder ob die riesige Bibliothek der Wissenschaftsgeschichte viele weitere Beispiele enthielt, die vor langer Zeit hergestellt, aber einfach falsch identifiziert oder vergessen worden waren.

Ein Forschungsteam hat diese Frage nun beantwortet, indem es moderne Computerwerkzeuge mit klassischer Chemie kombiniert hat, um ein verborgenes Reservoir dieser Materialien aufzudecken. Sie begannen damit, einem Computerprogramm beizubringen, den spezifischen atomaren Fingerabdruck von MXenen zu erkennen, und ließen es dann massive Datenbanken von Kristallstrukturen durchsuchen, die Wissenschaftler im Laufe des letzten Jahrhunderts aufgezeichnet haben. Der Computer fand Dutzende von Verbindungen, die perfekt auf die Beschreibung passten, aber nie als MXene bezeichnet worden waren. Die Forscher nennen diese Sammlung eine „Schatzkiste“, die aus achtunddreißig verschiedenen Materialien besteht, die vor Jahrzehnten synthetisiert, aber übersehen wurden, weil sie unter anderen Namen klassifiziert waren. Diese Entdeckung legt nahe, dass der chemische Raum für diese Materialien viel größer ist als bisher angenommen und viele Variationen enthält, die auch Seltenerdmetalle und verschiedene Arten von Atomen in ihrem Kern umfassen, nicht nur die Standardkombinationen aus Kohlenstoff und Stickstoff.

Um zu beweisen, dass diese vergessenen Materialien real waren und wieder hergestellt werden konnten, wandte sich das Team an eine schnelle und nachhaltige Herstellungstechnik namens selbstpropagierender Hochtemperatur-Synthese. Anstatt langsame, energieintensive Öfen oder gefährliche Flüssigkeiten zu verwenden, mischten sie rohe Metallpulver mit anderen Zutaten und entzündeten die Mischung mit einem kurzen elektrischen Impuls. Einmal gestartet, erzeugte die Reaktion ihre eigene intensive Hitze und breitete sich wie eine Welle durch das Material aus, wodurch der gesamte Prozess in nur wenigen Minuten ohne externe Energiequelle abgeschlossen wurde. Mit dieser Methode gelang es dem Team, fünf der Materialien aus ihrer „Schatzkisten“-Liste erfolgreich zu rekonstruieren, was bestätigte, dass sie schnell und sauber produziert werden können. Sie nutzten auch die Erkenntnisse aus diesem Prozess, um elf völlig neue Arten von MXenen herzustellen, die zuvor noch nie hergestellt worden waren und alle auf Seltenerdelementen wie Praseodym und Neodym basieren.

Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten, dass diese neu zugänglichen Materialien einzigartige physikalische Eigenschaften besitzen, die sich signifikant von den Standardversionen unterscheiden. Die Forscher fanden heraus, dass die neuen MXene auf Basis von Seltenerdelementen Halbleiter sind, was bedeutet, dass sie den Stromfluss auf eine Weise steuern können, die für elektronische Geräte nützlich ist. Darüber hinaus zeigen diese Materialien, da sie Seltenerdmetalle enthalten, vielfältige magnetische Verhaltensweisen, wobei einige als Magnete fungieren und andere unterschiedliche Arten von magnetischer Ordnung aufweisen. Das Team verifizierte diese Eigenschaften, indem es die Materialien unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchte und maß, wie sie mit Licht und Schall interagieren. Die mikroskopischen Bilder zeigten, dass die Schichten deutlich und gut geordnet blieben, wobei die Atome genau so angeordnet waren, wie es die Computermodelle vorhergesagt hatten.

Diese Arbeit tut mehr, als nur neue Namen zu einer Liste hinzuzufügen; sie demonstriert einen kraftvollen neuen Weg, um die wissenschaftliche Entdeckung zu beschleunigen. Indem sie maschinelles Lernen nutzten, um historische Aufzeichnungen zu durchforsten, zeigten die Forscher, dass die Antworten auf moderne Probleme bereits in alten Daten existieren könnten, wartend darauf, mit den richtigen Werkzeugen erkannt zu werden. Sie bewiesen auch, dass diese Materialien mit einer schnellen, skalierbaren Methode hergestellt werden können, die die Umweltrisiken der traditionellen chemischen Verarbeitung vermeidet. Obwohl sich die Studie auf die Identifizierung und Herstellung dieser spezifischen Verbindungen konzentrierte, bietet der Ansatz selbst eine Roadmap für das Auffinden anderer verborgener Materialien in den riesigen Archiven des menschlichen Wissens. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Familie der zweidimensionalen Materialien weitaus umfangreicher und vielseitiger ist als bisher angenommen, was die Tür zu einem breiteren Spektrum an Anwendungen in der Energiespeicherung, der Elektronik und darüber hinaus öffnet.