Sebagai bahan sintetis baru, MAX menggabungkan sifat-sifat unggul dari bahan logam dan keramik, dan memiliki prospek penerapan yang baik di bidang-bidang seperti busur feroelektrik berkecepatan tinggi, penutup insulasi suhu tinggi, dan pelapis tahan aus. Namun, persiapan bahan-bahan tersebut selalu menjadi tantangan.
Huang Qing, seorang peneliti di Institut Material Ningbo, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, memimpin tim untuk mengusulkan metode baru yang dapat menciptakan banyak material fase MAX dan MXene baru yang tidak dapat disintesis melalui jalur konvensional, mirip dengan "Kubus Rubik Memutar ". Hal ini tidak hanya memperluas jangkauan penerapan bahan-bahan tersebut, tetapi juga membawa imajinasi tanpa batas pada sintesis bahan. Pada 17 Maret waktu Beijing, hasil penelitian tersebut resmi dipublikasikan di jurnal Science.
Tabel periodik merangkum jenis unsur penyusun fase MAX dan MXena. Biru muda mewakili elemen situs M, coklat tanah mewakili elemen situs A, hitam mewakili elemen situs X, hijau mewakili elemen grup terminal, dan elemen yang dilingkari adalah elemen yang telah diverifikasi secara eksperimental dalam artikel. Sumber: Institut Material Ningbo, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
Bahan sintetis khusus
Reaksi kimia apa yang akan terjadi jika logam dan keramik “bergabung kuat”?
Sebagai material sintetis buatan khusus, material fase MAX selalu menjadi salah satu fokus penelitian di bidang material. Huang Qing memperkenalkan bahwa M mewakili unsur logam pra transisi; A mewakili unsur golongan utama IIIA dan IVA; X mewakili karbon, nitrogen, atau boron. M. Ketiga jenis elemen dalam A dan X dapat disusun dan digabungkan secara berbeda untuk membentuk berbagai bahan fase MAX.
Berkat struktur kristal berlapis nano yang unik, bahan jenis ini dapat menghantarkan listrik dan panas seperti logam, lembut dan mudah diproses, serta memiliki ketangguhan tinggi; Mirip dengan keramik, ia memiliki karakteristik seperti ketahanan oksidasi, ketahanan suhu tinggi, dan ketahanan terhadap korosi radiasi. Hal ini menunjukkan prospek penerapan yang bagus di berbagai bidang seperti pantograf kereta api berkecepatan tinggi, elemen pemanas suhu tinggi, bilah turbin, penutup insulasi suhu tinggi, dan pelapis tahan aus.
Jika unsur A dihilangkan maka material fasa MAX akan diturunkan menjadi material jenis baru MXene. Diketahui bahwa susunan atom MXene mirip dengan graphene, dan memiliki potensi besar untuk diterapkan di berbagai bidang seperti perangkat optoelektronik, penyimpanan energi elektrokimia, pelindung elektromagnetik, katalisis permukaan, dan membran pemisahan.
Namun pada ketiga jenis bahan baku M, A, dan X terdapat beberapa unsur yang tidak kompatibel. Membiarkan mereka hidup berdampingan secara damai dan menyiapkan material berkualitas tinggi dengan fungsi tertentu adalah sebuah tantangan.
Diagram skema strategi pengeditan struktur karbida logam transisi berlapis dibantu oleh "gunting kimia" Sumber: Institut Material Ningbo, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
Memutar Kubus Rubik untuk Mempersiapkan Materi Baru
Komposisi dan struktur unsur kimia menentukan sifat-sifat suatu bahan.
Untuk memenuhi kebutuhan aplikasi di berbagai bidang, para ilmuwan berharap dapat mengatur struktur mikro material fase MAX dan MXene secara akurat, dan menyiapkan material baru dengan fungsi tertentu.
As early as 2019, Huang Qing's team proposed a green preparation technology and successfully synthesized zinc MAX phase materials for the first time. The previous work was actually using an oxidizing 'chemical scissors' to etch elements between layers, that is, to reduce the elements we need to regulate, "Huang Qing said.
Bisakah elemen dipasang kembali setelah digores? Untuk memverifikasi hipotesis ini, tim Huang Qing melakukan berbagai eksperimen. Akhirnya, mereka menemukan bahwa logam, sebuah "gunting kimia" pereduksi, dapat menyusun kembali material MXene dua dimensi menjadi material fase MAX tiga dimensi.
Huang Qing menjelaskan, material fase MAX ibarat balok penyusun, tersusun dari tiga jenis elemen: M, A, dan X, yang disambung berurutan dari kiri ke kanan. Di masa lalu, untuk memotong unsur tengah A, para ilmuwan perlu memecah tiga blok penyusun, yang setara dengan menghancurkan seluruh struktur kimia, untuk "mengekstraksi" unsur tengah A.
Dan strategi baru yang mereka usulkan mirip dengan "Memutar Kubus Rubik", yang sedikit memutar lapisan tengah Kubus Rubik tiga lapis tanpa merusak struktur aslinya, dan elemen A dihilangkan. Dengan memutar blok Kubus Rubik yang mewakili elemen baru kembali ke posisi semula, material fase MAX mencapai "substitusi isomorfik".
Huang Qing sedang membimbing mahasiswa pascasarjana. Sumber: Institut Material Ningbo, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
Membawa imajinasi tanpa akhir pada penelitian material
Transformasi berkelanjutan dan kombinasi "kubus ajaib" kimia telah membawa imajinasi tanpa akhir pada penelitian material.
Dengan bantuan metode pengeditan struktur berbantuan "gunting kimia", tim Huang Qing telah menyiapkan serangkaian bahan fase MAX baru yang tidak dapat disintesis dengan metode konvensional.
Among them, the introduction of non-traditional A-site elements, such as magnetic elements and precious metals, is expected to expand them from high-temperature structural fields to functional applications, such as magnetism, optoelectronics, catalysis, superconductivity, etc.
Dengan menggunakan metode ini, tim Huang Qing juga telah memperoleh serangkaian material MXene baru, yang diharapkan dapat mendorong penerapan MXene lebih lanjut dalam katalisis, penyimpanan energi, pelindung elektromagnetik, dan bidang lainnya.
"Ini membuka jalan baru untuk sintesis material, yang merupakan arah keberhasilan." Chai Zhifang, akademisi Anggota CAS dan kepala ilmuwan Laboratorium Teknik Material Energi Lanjutan Institut Material Ningbo, Akademi Ilmu Pengetahuan China, menjelaskan bahwa metode ini seperti membuat sandwich sesuai "selera" setiap orang. Bahan yang berbeda dapat ditambahkan pada dua potong roti, seperti ayam, fillet ikan, selada, dll, sehingga setiap orang dapat mengambil sesuai kebutuhannya.
Banyak materi penting yang mendapat banyak perhatian dapat disintesis menggunakan metode ini, dan saya yakin ini akan mendapat lebih banyak perhatian dan penerapan di masa depan, "kata Huang Qing.
