Korkean entropian MXenes-molekyylit lupaavat selviytymistä ankarimmissakin olosuhteissa.
Tutkijat ovat edistyneet valtavasti kaksiulotteisten nanomateriaalien kehittämisessä: he ovat onnistuneet syntetisoimaan MXenes-materiaaleja – ultrahienoja karbideja ja nitridejä, jotka sisältävät jopa yhdeksän siirtymämetallia vain muutaman atomin paksuisessa kerroksessa. Tämä saavutus avaa uusia mahdollisuuksia materiaaleille, joiden on säilytettävä toimintakykynsä äärimmäisissä olosuhteissa – ilmailu- ja avaruusteknologiasta ja energianvarastointijärjestelmistä moderniin mikroelektroniikkaan.
MXenes löydettiin vuonna 2011, ja siitä lähtien niitä on pidetty yhtenä lupaavimmista nanomateriaaleista . Niitä erottavat korkea sähkönjohtavuus, rakenteen muokattavuus ja epätavalliset pintaominaisuudet. Nanometrin paksuisen kerroksellisen rakenteensa ansiosta ne soveltuvat laitteiden valmistukseen, jotka on suunniteltu toimimaan erittäin suurilla kuormituksilla ja aggressiivisissa ympäristöissä.
Uudessa tutkimuksessaan Babak Anasorin ryhmä Perduun yliopistosta tutki MXenes-materiaalien kestävyyden rajoja kokeilemalla yhdistelmiä, joissa oli kahdesta yhdeksään erilaista metallia. Tutkijat saivat lähes 40 monikerroksista näytettä ja analysoivat kahden perustavanlaatuisen tekijän – entropian, joka edistää epäjärjestystä, ja entalpian, joka ylläpitää atomien järjestystä – vuorovaikutusta. Kun metallien pitoisuus oli enintään kuusi, atomit järjestäytyivät säännöllisiksi rakenteiksi, mutta komponenttien määrän kasvaessa järjestelmä siirtyi korkean entropian vaiheeseen, jossa järjestys häiriintyi ja atomit järjestäytyivät kaoottisesti.
Seuratakseen näiden siirtymien vaikutusta ominaisuuksiin tutkijat syntetisoivat ensin monikerroksisia keraamisia MAX-faaseja ja muunsivat ne sitten MXeneiksi. Tällainen lähestymistapa mahdollisti atomien sijoittelun ja pinnan toiminnallisten ominaisuuksien sekä elektronisen rakenteen välisen suoran yhteyden. Tutkimuksen ensimmäisen kirjoittajan Brian Wyattin mukaan juuri paikallinen järjestys korkean entropian materiaaleissa määrää tasapainon kaaoksen ja vakauden välillä, mikä tarkoittaa, että se vaikuttaa suoraan ominaisuuksiin.
Tutkimuksen tulokset laajentavat merkittävästi käsityksiä MXenes-perheestä ja tuovat lähemmäksi sellaisten materiaalien luomista, jotka pystyvät säilyttämään vakauden ja toiminnallisuuden ankarimmissakin olosuhteissa. Anasorin laboratoriossa kiinnitetään erityistä huomiota käytännön sovelluksiin: sähkömagneettisen säteilyn suojauksesta ja tulevaisuuden viestintää varten tarkoitettujen erittäin ohuiden antennien luomisesta energia-lähteisiin, jotka toimivat äärimmäisissä lämpötiloissa. Tutkija korostaa, että tällaiset kehitystyöt ovat erityisen kysyttyjä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, pitkän toimintasäteen sähköautojen kehittämisessä sekä avaruuteen ja syvänmeren tutkimukseen liittyvissä projekteissa.
Tutkijoiden mukaan ymmärrys siitä, miten järjestys ja epäjärjestys vuorovaikuttavat atomitasolla, muodostaa perustan uuden sukupolven materiaalien kehittämiselle. Ne voivat toimia siellä, missä nykyiset teknologiat ovat jo saavuttaneet rajansa, ja avaavat tien ratkaisuihin, jotka vielä äskettäin tuntuivat mahdottomilta.
