科学者が原子的に作る簡単な方法を発見

シカゴ大学 2023 年 3 月 30 日

走査型電子顕微鏡画像からは、MXene として知られる小さな構造の美しい形状が明らかになりました。MXene は、新しいデバイスやエレクトロニクスの研究者にとって興味深いものですが、以前は作成するのが困難でした。 これらは、シカゴ大学の化学者によって発明された、より簡単で毒性の少ない新しい方法で栽培されました。 ちなみに、人間の髪の毛の直径は約50μmです。 クレジット: ディ・ワン

完璧なクロワッサンの鍵は、各層にバターが散りばめられた多数の層にあります。 同様に、さまざまな応用の可能性を秘めた新素材は多数の極薄金属層で構成されており、科学者はそれらの間に特定の目的に応じてさまざまなイオンを挿入できます。 このため、将来の最先端のエレクトロニクスやエネルギー貯蔵に非常に役立つ可能性があります。

最近まで、MXenes (「マックス・イーンズ」と発音) として知られるこれらの材料の製造は、伝統的なフランスのパン屋で高品質のクロワッサンを作るのと同じくらい労働集約的でした。

しかし、シカゴ大学の科学者らによる新たな進歩は、これらのMXeneをより迅速かつ簡単に、より少ない有毒副産物で製造する方法を示しています。

研究者らは、サイエンス誌に掲載されたこの発見が新たなイノベーションを促進し、MXenesを日常のエレクトロニクスやデバイスに使用する道を開くことを期待している。

MXenes が 2011 年に発見されたとき、多くの科学者が興奮しました。 通常、金やチタンなどの金属を削って原子ほどの薄いシートを作成すると、金属のように振る舞わなくなります。 しかし、MXenes の異常に強い化学結合により、電気を強く伝導するなど、金属の特殊な能力を保持することができます。

また、カスタマイズも簡単です。「たとえば、層の間にイオンを入れてエネルギーを蓄えることができます」と、博士研究員のChenkun Zhou氏とともに論文の共同筆頭著者である化学大学院生のDi Wang氏は述べた。

これらすべての利点により、MXene は新しいデバイスを構築する場合、たとえば電力を蓄えたり、電磁波干渉をブロックしたりする場合に非常に役立つ可能性があります。

However, the only way we knew to make MXenes involved several intensive chemical engineering steps, including heating the mixture at 3,000°F followed by a bath in hydrofluoric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">酸。

"This is fine if you’re making a few grams for experiments in the laboratory, but if you wanted to make large amounts to use in commercial products, it would become a major corrosive waste disposal issue," explained Dmitri Talapin, the Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">シカゴ大学、アルゴンヌ国立研究所の共同任命者、および論文の責任著者。

To design a more efficient and less toxic method, the team used the principles of chemistry—in particular "atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">アトムエコノミー」は、反応中に無駄になる原子の数を最小限に抑えることを目的としています。

シカゴ大学チームは、科学者がフッ化水素酸を使用せずに、シンプルで安価な前駆体から MXene を製造できる新しい化学反応を発見しました。 それは、層を作りたい金属といくつかの化学薬品を混合し、その混合物を 1,700°F で加熱するという 1 つのステップだけで構成されます。 「それから開けると、そこにあるのです」とワン氏は言った。

このより簡単で毒性の低い方法により、科学者は、さまざまな金属合金やさまざまなイオンフレーバーなど、さまざまな用途向けに新しい種類の MXene を作成および探索するための新たな道が開かれます。 研究チームはこの方法をチタンとジルコニウムの金属でテストしたが、この技術は他のさまざまな組み合わせにも使用できると考えている。

「これらの新しい MXene は視覚的にも美しいです」と Wang 氏は付け加えました。 「それらは花のように立ち上がっています。エッジが露出しており、イオンや分子が金属層の間を移動できるため、反応にはさらに適している可能性があります。」

参考文献: 「2D 炭化物および窒化物 MXenes の直接合成と化学蒸着」、Di Wang、Chenkun Zhou、Alexander S. Filatov、Woje Cho、Francisco Lagunas、Mingzhan Wang、Suriyanarayanan Vaikuntanathan、Chong Liu、Robert F. Klie、Dmitri V 著.Talapin、2023 年 3 月 23 日、Science.DOI:10.1126/science.add9204

大学院生の Wooje Cho 氏もこの論文の共著者です。 この探査は、理論化学者のスリ・ヴァイクンタナタン氏、X線研究施設所長のアレクサンダー・フィラトフ氏、プリツカー分子工学大学院の電気化学者のチョン・リュー氏とミンザン・ワン氏を含む、シカゴ大学のさまざまな部門の同僚の支援によって可能となった。 電子顕微鏡検査は、イリノイ大学シカゴ校の Robert Klie と Francisco Lagunas によって行われました。

研究の一部は、米国エネルギー省のエネルギーフロンティア研究センターであるエネルギー・水システム向け先端材料を通じて実施されました。 シカゴ大学材料研究科学工学センター。 アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センターでも。