科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了為新技術(shù)制造原子級(jí)薄金屬層的簡(jiǎn)單方法

制作完美羊角面包的秘訣在于層數(shù)——盡可能多，每一層都點(diǎn)綴著黃油。同樣，一種有望用于新應(yīng)用的新材料由許多極薄的金屬層組成，科學(xué)家可以在這些金屬層之間滑動(dòng)不同的離子用于各種目的。這使得它們可能對(duì)未來(lái)的高科技電子產(chǎn)品或能量存儲(chǔ)非常有用。

直到最近，這些被稱為MXenes，發(fā)音為“max-eens”的材料與法國(guó)面包店制作的優(yōu)質(zhì)羊角面包一樣需要大量勞動(dòng)。

但是，芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們的一項(xiàng)新突破展示了如何更快、更輕松地制造這些MXenes，同時(shí)產(chǎn)生更少的有毒副產(chǎn)物。

研究人員希望3月23日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這一發(fā)現(xiàn)能夠激發(fā)新的創(chuàng)新，并為在日常電子產(chǎn)品和設(shè)備中使用MXenes鋪平道路。

原子經(jīng)濟(jì)

當(dāng)它們?cè)?011年被發(fā)現(xiàn)時(shí)，MXenes讓很多科學(xué)家非常興奮。通常，當(dāng)你削去金或鈦等金屬來(lái)制造原子級(jí)薄片時(shí)，它就不再像金屬那樣表現(xiàn)了。但MXenes中異常強(qiáng)大的化學(xué)鍵使它們能夠保留金屬的特殊能力，比如強(qiáng)烈導(dǎo)電。

它們也很容易定制：“例如，你可以將離子放在層之間以使用它們來(lái)儲(chǔ)存能量，”化學(xué)研究生DiWang說(shuō)，他是該論文的共同第一作者以及博士后學(xué)者ChenkunZhou。

所有這些優(yōu)勢(shì)都可以使MXenes對(duì)于構(gòu)建新設(shè)備非常有用——例如，用于存儲(chǔ)電能或阻止電磁波干擾。

然而，我們知道制造MXenes的唯一方法涉及幾個(gè)密集的化學(xué)工程步驟，包括將混合物加熱到3,000°F，然后在氫氟酸中浸泡。

ErnestDeWitt的德米特里·塔拉平(DmitriTalapin)解釋說(shuō)：“如果您在實(shí)驗(yàn)室中制作幾克用于實(shí)驗(yàn)，這很好，但如果您想大量用于商業(yè)產(chǎn)品，這將成為一個(gè)主要的腐蝕性廢物處理問(wèn)題。”芝加哥大學(xué)伯頓杰出化學(xué)教授，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合任命者，論文通訊作者。

為了設(shè)計(jì)一種更有效、毒性更小的方法，該團(tuán)隊(duì)使用了化學(xué)原理——尤其是“原子經(jīng)濟(jì)”，它試圖最大限度地減少反應(yīng)過(guò)程中浪費(fèi)的原子數(shù)量。

UChicago團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了新的化學(xué)反應(yīng)，使科學(xué)家能夠在不使用氫氟酸的情況下使用簡(jiǎn)單且廉價(jià)的前體制造MXenes。它僅包含一個(gè)步驟：將多種化學(xué)品與您希望制作多層的任何金屬混合，然后將混合物加熱至1,700°F。“然后你打開(kāi)它，它們就在那里，”王說(shuō)。

這種更簡(jiǎn)單、毒性更小的方法為科學(xué)家們開(kāi)辟了新途徑，可以為不同的應(yīng)用創(chuàng)造和探索新品種的MXenes——例如不同的金屬合金或不同的離子調(diào)味劑。該團(tuán)隊(duì)用鈦和鋯金屬測(cè)試了該方法，但他們認(rèn)為該技術(shù)也可用于許多其他不同的組合。

“這些新的MXenes在視覺(jué)上也很漂亮，”Wang補(bǔ)充道。“它們像花朵一樣直立——這甚至可能使它們更適合反應(yīng)，因?yàn)檫吘壉┞对谕?，離子和分子可以在金屬層之間移動(dòng)。”

研究生WoojeCho也是該論文的合著者。芝加哥大學(xué)各部門(mén)同事的幫助使這項(xiàng)探索成為可能，其中包括理論化學(xué)家SuriVaikuntanathan、X射線研究設(shè)施主任AlexanderFilatov以及普利茲克分子工程學(xué)院的電化學(xué)家ChongLiu和MingzhanWang。伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的RobertKlie和FranciscoLagunas進(jìn)行了電子顯微鏡檢查。

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