Vitamin C ist der Schlüssel zum Schutz von aufregenden neuen Nanomaterialien

11.07.2019 - USA

In Arbeiten, die eine Flut von zukünftigen Anwendungen für eine neue Klasse von Nanomaterialien, bekannt als MXenes (ausgesprochen "Maxines"), eröffnen könnten, haben Forscher der Texas A&M University einen einfachen, kostengünstigen Weg gefunden, um den schnellen Abbau der Materialien zu verhindern.

Zweidimensionale MXen-Nanoblätter sind vielversprechend in Anwendungen, die von der Energiespeicherung bis zur Wasserreinigung reichen. MXene haben jedoch eine Achillesferse: Sie zersetzen sich schnell, wenn sie im Freien gehalten werden.

Nach Angaben des Texas A&M-Teams besteht die Lösung für dieses Problem darin, MXene allem aus einer Familie von Verbindungen auszusetzen, die am besten durch ein natürliches Nahrungsergänzungsmittel wie Vitamin C repräsentiert werden.

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"Mit diesen Erkenntnissen werden lagerstabile MXene möglich und technisch hochwertige MXen-basierte Materialien können zur praktischen Realität werden", schrieben die Forscher in einem Beitrag für die kommende Ausgabe der Online-Zeitschrift Matter.

Interessante Eigenschaften

MXenes wurden 2011 von einem Team der Drexel University entdeckt und sind Schichten aus nur wenigen Atomen dicken Materialien, die größtenteils aus Schichten von Metallen wie Titan bestehen, die durch Kohlenstoff und/oder Stickstoff durchsetzt sind.

Aufgrund ihrer Nanodicke und der Vielfalt der Elemente, aus denen sie bestehen können (andere Nanomaterialien wie Graphen enthalten nur Kohlenstoff), "haben diese Materialien in der Regel wirklich interessante Eigenschaften, wie hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe katalytische Aktivität", sagt Dr. Micah Green, ein außerordentlicher Professor, der die Arbeit leitete und gemeinsame Termine in der Artie McFerrin Department of Chemical Engineering und der Department of Materials Science and Engineering an der Texas A&M hat.

Als Ergebnis dieser Eigenschaften haben MXenes in der Forschungsgemeinde großes Interesse und Begeisterung für potenzielle Anwendungen in allen Bereichen von Batterien bis hin zu elektronischen Sensoren geweckt.

"Aber es gibt ein Problem, das im Hintergrund lauert", sagte Green. MXene werden schnell abgebaut oder oxidieren. "Sie fallen auseinander und hören auf, Nanoblätter zu sein. Das passiert in wenigen Tagen."

Obwohl andere Forscher festgestellt haben, dass Techniken wie das Trocknen oder Gefrieren von MXenen ihren Abbau verzögern können, "werden sie immer noch nicht jahrelang halten", sagte er. "Und niemand will ein Material, das nicht lange haltbar ist."

Texas A&M hat das Problem durch ein interdisziplinäres Team von Experten für Nanomaterialien, Keramiken und Polymere angegangen.

Die weiteren an der Arbeit beteiligten Fakultätsmitglieder sind Dr. Miladin Radovic, Professor am Department of Materials Science and Engineering, und Dr. Jodie Lutkenhaus, außerordentlicher Professor am Department of Materials Science and Engineering und am Department of Chemical Engineering.

Auf dem Weg zu einer Lösung

Das Team fand schließlich heraus, dass die Exposition eines typischen MXens gegenüber einer Lösung von Natrium-L-Ascorbat den Abbau der Nanoschicht verhindert. Außerdem wirkten mehrere verwandte Verbindungen, darunter Vitamin C, ebenfalls. Laut Green hält die Wirkung an. Er bemerkte auch, dass das Team die Entdeckung vor etwa einem Jahr machte und die behandelten MXene immer noch stabil sind.

Um das Phänomen, das zu einer verbesserten Stabilität führt, weiter zu untersuchen, führte das Team molekulardynamische Simulationen der Wechselwirkungen zwischen den MXenen und den Antioxidantien durch. Sie fanden heraus, dass die Ascorbatmoleküle mit der MXen-Nanobahn verbunden zu sein scheinen, was sie daran hindert, mit Wassermolekülen zu interagieren und sie dadurch vor Oxidation zu schützen.

Das Team ist begeistert, weil ihre "Methode mit einer Vielzahl von verschiedenen MXenes zu arbeiten scheint", sagte Green. Das Matter Paper konzentriert sich auf das gebräuchlichste MXene (Ti3C2Tx), aber andere Arten von MXenen sind noch instabiler. So sehr, dass "die Menschen bezweifelt haben, ob diese Materialien jemals Anwendungen finden könnten. Mit dieser Technik könnte sich das ändern: "Die Forscher untersuchen derzeit die Stabilität dieser zusätzlichen MXene mit dem gleichen Ansatz.

"Wir hoffen, dass alle, die an MXenes arbeiten, einschließlich der Industrie, unsere Technik zum Schutz ihrer Materialien einsetzen werden", sagte Green.

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