En del av de utmaningar som mänskligheten står inför, som energianvändning och vattenbrist, kanske delvis kan hanteras med hjälp av nya material, som forskare försöker skräddarsy för att deras egenskaper ska bli så användbara som möjligt. En sådan grupp av nya material är MXener, vars unika egenskaper väckt forskares nyfikenhet.
– Det som är fascinerande med MXener är möjligheterna att styra materialens egenskaper så att de passar för olika tillämpningar. De har stor potential för att användas till batterier, vattenrening eller avsaltning av havsvatten, energisnåla transistorer och dioder eller superkapacitatorer för att lagra energi, säger Martin Magnuson, biträdande professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM).
Utmanar materialet grafen
MXenerna såg dagens ljus så sent som år 2011 vid ett laboratorium i USA. De har flera likheter med ett annat, mer känt material, nämligen grafen. Båda är 2-dimensionella, som extremt tunna ark bestående av ett enda lager atomer. Medan grafen är uppbyggt av enbart kolatomer, består MXener av en övergångsmetall, exempelvis titan, och antingen kol eller kväve. De är starka och spröda, som keramiska material, men leder samtidigt värme och elektricitet likt metaller. På den här kärnan av titan och kol sitter olika kemiska yt-termineringsgrupper, som kan påverka MXeners egenskaper, exempelvis göra materialet mer eller mindre elektriskt ledande eller elastiskt.Forskare Martin Magnuson ser till att ett prov hamnar på rätt ställe i en vakuumkammare medan det flyttas in till mätningspositionen ett strålrör vid 3 GeV ringen på MAX IV (på strålrör Hippie). Foto Martin Magnuson
Materialet byggs upp i lager-på-lager. Lagren hålls ihop med varandra med mycket svaga krafter, och forskarna ser möjligheter att kila in andra grundämnen mellan lagren. En lockande tanke är att få in litiumjoner, för att materialet ska kunna användas som elektroder i litiumjonbatterier (om det ringer en klocka, kan det vara för att pionjärerna som la grunden för utvecklingen av litiumjonbatterier fick årets Nobelpris i kemi).
– MXener kan konkurrera med grafen, men är mer mångsidiga, eftersom vi kan kombinera materialet på många olika sätt och skräddarsy egenskaperna, säger Martin Magnuson.
Elektroner snabba som ljuset (nästan)
För att ta reda på mer om hur MXener fungerar åkte Martin Magnuson och hans kollegor Lars-Åke Näslund och Joseph Halim till synkrotronanläggningen MAX IV, ett slags gigantiskt mikroskop strax utanför Lund. Här kan forskare inom materialvetenskap, biologi, kemi, miljö, geologi och medicin undersöka detaljer i molekylära ytor och strukturer. För att kunna undersöka atomer, krävs att våglängden på mikroskopets ljus är kortare än atomens storlek. Det innebär våglängder kring 0,1 nanometer, alltså en tiondels miljarddels meter. Den sortens ljus kan skapas i MAX IV-anläggningen.MAX IV-anläggningen. Foto Perry Nordeng
Det mest iögonfallande på synkrotronen är den cirkelformade byggnaden, som rymmer den största av de båda så kallade lagringsringarna. Omkretsen på den stora ringen är med sina 528 meter jämförbar med Colosseum i Rom. I ringen åker elektroner runt, runt nästan i ljusets hastighet. De har fått fart i en linjäraccelerator, som leder elektronerna under jorden in i lagringsringen. I ringen böjs elektronernas bana med hjälp av magneter. Det är vid avböjningen som ”mikroskopets” ljus tänds, eftersom elektronerna då avger synkrotronljus. Detta ljus är oerhört intensivt och rikt på energi.
Runt ringen sitter forskningsstationer, i nuläget nio stycken, där forskare kan göra sina experiment. Ljuset leds ut från lagringsringen genom särskilda strålrör och det är där experimenten görs. Strålrören är anpassade för olika våglängder och energier på synkrotronljuset och används därför till olika typer av undersökningar – allt från att undersöka historiska och arkeologiska föremål utan att skada dem till att se hur atomer sitter i förhållande till varandra i ett material.
Formar om materialet
LiU-forskarna undersökte två former av MXener, bland annat genom att värma upp dem till upp till 700 grader för att se vad som då händer med yt-termineringsgrupperna på materialets yta.Forskare Lars-Åke Näslund monterar ett prov i en gas-cell i en glove-bag (plastpåsen är fylld med kvävgas) vid stråröret Balder på 3 GeV ringen på MAX IV. Foto Martin Magnuson
– För att kunna skräddarsy materialet för olika tillämpningar behöver vi först veta i detalj var på ytan olika atomer sitter. I våra experiment lärde vi oss en del nytt. Från början består yt-termineringsgrupperna av fluor och syre. Nu vet vi att fluoratomer alltid sitter på ett visst ställe, medan syre är lättrörligt, säger Martin Magnuson.
Vid uppvärmning börjar yt-termineringsgrupperna flytta på sig, för att vid höga temperaturer lossna helt. Forskarna kan forma om materialet genom att släppa in olika gaser i kammaren, exempelvis kolmonoxid (CO) och koldioxid (CO2). Molekyler i gasen kan då ersätta de ursprungliga yt-termineringsgrupperna.
– Vi hoppas kunna göra en yta som fungerar som katalysator, som underlättar kemiska reaktioner, så att materialet kan användas till avgasrening. Vi hoppas också kunna testa hur joner kilas in i MXene med hjälp av en elektrokemisk cell vid ett experiment vid MAX IV, säger Martin Magnuson.
Nu arbetar forskarna med fortsatta analyser av exakt var atomerna sitter, och jämför sina data från MAX IV-experimenten med teoretiska beräkningar. LiU-forskarna hjälper också företag som vill förbättra sina tillverkningsprocesser. De har forskningssamarbeten med Gränges och Seco tools, som vill få bort ämnen som är skadliga för miljön eller för dem som arbetar i tillverkningen, så att tillverkningsprocesserna blir mer miljövänliga.
Linköpings universitet har varit med och finansierat strålrör vid MAX IV. Själva anläggningen är en nationell forskningsanläggning, gemensamt finansierad via Vetenskapsrådet, Vinnova, Lunds universitet och Region Skåne.
Uppdatering 30 september 2020: Forskarnas vetenskapliga artikel med resultat från forskning utförd vid MAX IV har nu publicerats: "Local chemical bonding and structural properties in Ti3AlC2 MAX phase and Ti3C2Tx MXene probed by Ti 1s x-ray absorption spectroscopy", Martin Magnuson and Lars-Åke Näslund, (2020), PHYSICAL REVIEW RESEARCH 2, 033516 (2020), doi: 10.1103/PhysRevResearch.2.033516
