Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

Tweedimensionale materialen zijn een familie van stoffen die zo dun zijn dat ze slechts enkele atomen dik zijn, maar toch opmerkelijke sterkte en elektrische eigenschappen bezitten die ze waardevol maken voor alles van snellere computers tot efficiëntere batterijen. Onder deze groep heeft een specifieke categorie genaamd MXenes de aandacht van wetenschappers getrokken omdat ze zijn gemaakt van lagen metaal en koolstof of stikstof die uit elkaar kunnen worden geplooid als de pagina's in een boek. Al meer dan een decennium weten onderzoekers hoe ze deze materialen kunnen maken door te beginnen met een solide blok van een verwante verbinding en chemisch één type atoom weg te eten om de lagen achter te laten. Deze traditionele methode is echter traag, vereist vaak gevaarlijke chemicaliën en is slechts gebruikt om een beperkt aantal specifieke soorten te maken. De grote vraag die het vakgebied voorstond, was of de bekende lijst van deze materialen werkelijk compleet was, of dat de enorme bibliotheek van de wetenschappelijke geschiedenis veel meer voorbeelden bevatte die lang geleden waren gemaakt, maar simpelweg verkeerd geïdentificeerd of vergeten waren.

Een team van onderzoekers heeft nu antwoord gegeven op die vraag door moderne computerhulpmiddelen te combinerend met ouderwetse chemie om een verborgen reservoir van deze materialen te ontsluiten. Ze begonnen door een computerprogramma te leren de specifieke atomaire vingerafdruk van MXenes te herkennen, en vroegen het vervolgens om door enorme databases van kristalstructuren te scannen die wetenschappers de afgelopen eeuw hebben vastgelegd. De computer vond tientallen verbindingen die perfect aan de beschrijving voldeden, maar nooit als MXenes waren gelabeld. De onderzoekers noemen deze collectie een "Treasure Chest" (Schatkist), bestaande uit achtendertig verschillende materialen die decennia geleden werden gesynthetiseerd maar werden over het hoofd gezien omdat ze onder andere namen werden geclassificeerd. Deze ontdekking suggereert dat de chemische ruimte voor deze materialen veel groter is dan voorheen gedacht, en veel variaties bevat die zeldzame aardmetalen en verschillende soorten atomen in hun kern bevatten, niet alleen de standaard koolstof- en stikstofcombinaties.

Om te bewijzen dat deze vergeten materialen echt waren en opnieuw gemaakt konden worden, richtte het team zich op een snelle en duurzame fabricagetechniek genaamd self-propagating high-temperature synthesis (zelfverspreidende hoogtemperatuursynthese). In plaats van langzame, energie-intensieve ovens of gevaarlijke vloeistoffen te gebruiken, mengden ze ruwe metaalpoeders met andere ingrediënten en ontstaken ze het mengsel met een korte elektrische ontlading. Eenmaal gestart, creëerde de reactie haar eigen intense hitte en verspreidde deze zich door het materiaal als een golf, waardoor het hele proces in slechts enkele minuten werd voltooid zonder dat er een externe energiebron nodig was. Met deze methode slaagde het team erin om vijf van de materialen uit hun "Treasure Chest"-lijst te recreëren, waarmee werd bevestigd dat ze snel en schoon geproduceerd konden worden. Ze gebruikten de inzichten verkregen uit dit proces ook om elf geheel nieuwe soorten MXenes te creëren die nog nooit eerder waren gemaakt, allemaal gebaseerd op zeldzame aardelementen zoals praseodymium en neodymium.

De resultaten van deze experimenten toonden aan dat deze nieuw toegankelijke materialen unieke fysieke eigenschappen hebben die significant verschillen van de standaardversies. De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe MXenes op basis van zeldzame aardmetalen werken als halfgeleiders, wat betekent dat ze de stroom van elektriciteit kunnen controleren op manieren die nuttig zijn voor elektronische apparaten. Bovendien vertonen deze materialen, omdat ze zeldzame aardmetalen bevatten, diverse magnetische gedragingen, waarbij sommige als magneten fungeren en andere verschillende soorten magnetische ordening vertonen. Het team verifieerde deze eigenschappen door de materialen onder krachtige microscopen te bestuderen en te meten hoe ze interageren met licht en geluid. De microscopische beelden toonden aan dat de lagen duidelijk en goed geordend bleven, met de atomen gerangschikt precies zoals de computermodellen hadden voorspeld.

Dit werk doet meer dan alleen nieuwe namen aan een lijst toevoegen; het demonstreert een krachtige nieuwe manier om wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen. Door machine learning te gebruiken om door historische registers te zoeken, lieten de onderzoekers zien dat de antwoorden op moderne problemen al in oude gegevens kunnen bestaan, wachtend om herkend te worden met de juiste instrumenten. Ze bewezen ook dat deze materialen gemaakt kunnen worden met een snelle, schaalbare methode die de milieurisico's van traditionele chemische verwerking vermijdt. Hoewel de studie zich richtte op het identificeren en maken van deze specifieke verbindingen, biedt de aanpak zelf een routekaart voor het vinden van andere verborgen materialen in de enorme archieven van de menselijke kennis. De bevindingen suggereren dat de familie van tweedimensionale materialen veel uitgebreider en veelzijdiger is dan voorheen werd aangenomen, wat de deur opent naar een breder scala aan toepassingen in energieopslag, elektronica en meer.