MXenes Diuraikan: Pandangan Tingkat Atom Pertama Membuka Kemungkinan Tak Terbatas

Dengan menggunakan mikroskopi pemindaian terowongan, para peneliti di Universitas Drexel dan UCLA memberikan tampilan skala atom pertama pada permukaan materials MXene 2D. Temuan ini akan membantu menyesuaikan materials unik untuk aplikasi tertentu. Kredit: Universitas Drexel

Peneliti Drexel dan UCLA melakukan mikroskopi pemindaian terowongan dan analisis spektroskopi pertama terhadap materials 2D yang unik.

Teknik pencitraan canggih telah mengungkap kimia permukaan kompleks MXenes, materials yang menjanjikan untuk aplikasi energi dan telekomunikasi, yang berpotensi menghasilkan fungsionalitas khusus untuk penggunaan spesifik.

Dalam satu dekade sejak penemuannya di Universitas Drexel, keluarga materials dua dimensi MXene telah menunjukkan potensi signifikan untuk aplikasi mulai dari desalinasi air dan penyimpanan energi hingga pelindung elektromagnetik dan telekomunikasi, antara lain. Sementara asal muasal keserbagunaannya telah banyak dispekulasikan oleh para peneliti, sebuah studi terkini yang dipimpin oleh Universitas Drexel dan Universitas California, Los Angeles, telah menawarkan wawasan pertama yang jelas tentang struktur kimia permukaan yang mendukung kemampuan MXene.

Dengan menggunakan teknik pencitraan canggih, yang dikenal sebagai mikroskopi terowongan pemindaian (STM) dan spektroskopi terowongan pemindaian (STS), tim tersebut, yang juga mencakup peneliti dari California State College Northridge, dan Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory, memetakan topografi permukaan elektrokimia dari titanium karbida MXene — anggota keluarga yang paling banyak dipelajari dan digunakan. Temuan mereka, yang diterbitkan dalam jurnal Cell Press edisi ulang tahun ke-5 Urusanakan membantu menjelaskan berbagai sifat yang ditunjukkan oleh anggota keluarga MXene dan memungkinkan peneliti untuk menyesuaikan bahan baru untuk aplikasi tertentu.

Pentingnya Kimia Permukaan

“Sebagian besar potensi MXenes berasal dari kimia permukaannya yang kaya,” kata Yury Gogotsi, PhD, Distinguished College dan profesor Bach di Drexel's Faculty of Engineering, penulis utama penelitian tersebut, yang kelompok penelitiannya berpartisipasi dalam penemuan materials tersebut pada tahun 2011. “Mendapatkan pengamatan skala atom pertama pada permukaannya, menggunakan mikroskopi pemindaian terowongan, merupakan perkembangan menarik yang akan membuka kemungkinan baru untuk mengendalikan permukaan materials dan memungkinkan penerapan MXenes dalam teknologi canggih.”

Meskipun MXene merupakan materials dua dimensi, interaksi yang menjadi dasar sifat kimia, elektrokimia, dan katalitiknya — apakah itu penyimpanan energi listrik yang sangat cepat, pemisahan air untuk menghasilkan hidrogen, atau penyaringan urea dari darah — dimulai oleh atom-atom yang membentuk lapisan permukaannya.

Penelitian sebelumnya telah memberikan gambaran resolusi rendah pada struktur kimia permukaan MXene, menggunakan teknologi seperti mikroskop elektron pemindaian (SEM), spektroskopi massa ion sekunder (SIMS), dan spektroskopi Raman yang ditingkatkan ujung (TERS). Alat-alat ini menawarkan pembacaan tidak langsung dari komposisi materials, tetapi memberikan sedikit informasi tentang kerumitan organisasi permukaannya.

Sebaliknya, mikroskopi pemindaian terowongan dan spektroskopi pemindaian terowongan memberikan informasi lebih langsung tentang bentuk dan komposisi struktur permukaan materials, serta kimia dan sifat permukaannya.

Analisis Permukaan Terperinci

Alat ini menggunakan probe yang sangat tajam, cukup sensitif untuk membedakan satu atom dari yang lain saat memindai permukaan datar. Ujung probe membawa muatan listrik yang memungkinkannya berinteraksi dengan setiap atom saat melewatinya, interaksi ini — disebut penerowongan kuantum — memberikan informasi tentang atom-atom pada permukaan materials. Pemindaian spektroskopi memberikan informasi tentang komposisi permukaan pada tingkat atom dan molekul. Pemindaian diubah menjadi gambar, membentuk peta topografi permukaan materials.

“Dengan STM/STS, kita dapat melihat susunan atom pada permukaan MXenes dan bahkan mempelajari konduktansinya dengan resolusi atom,” kata Gogotsi. “Ini adalah kunci untuk memahami mengapa MXenes memiliki sifat ekstrem dan mengungguli materials lain dalam banyak aplikasi. Ini juga akan membantu kita untuk mengeksplorasi sifat kuantum MXenes dan mengidentifikasi peluang baru untuk kelompok materials yang berkembang pesat ini.”

Menemukan kelompok atom — disebut gugus fungsi — mengidentifikasi mereka dan mengukur sifat-sifat mereka di permukaan, mengingat lokasi dan keterikatan spesifik mereka, merupakan perkembangan penting untuk memahami bagaimana MXene berinteraksi dengan bahan dan materials lainnya, menurut para peneliti.

“Permukaan MXene bersifat heterogen secara kimia. Itulah yang membuat permukaan tersebut menarik dan juga sulit untuk dipelajari,” kata Paul Weiss, PhD, seorang profesor terkemuka dan ketua UC Presidential di Universitas California, California yang memimpin penelitian bersama Gogotsi. “Kami yakin bahwa hal itu juga merupakan kunci bagi sifat-sifatnya yang menakjubkan. Akan tetapi, kami belum mengetahui fungsi kimia mana yang penting untuk aplikasi mana.”

Pencitraan STM/STS milik kelompok tersebut menunjukkan fitur 10 nanometer pada permukaan MXene, kemungkinan berupa gugus titanium oksida, dan tonjolan yang lebih kecil, tersusun dalam simetri heksagonal terdistorsi, yang mereka anggap sebagai gugus fungsi, yang selanjutnya mereka identifikasi secara kimia.

Hasil penelitian ini konsisten dengan teori sebelumnya, mikroskopi beresolusi rendah, dan knowledge spektral tentang permukaan titanium karbida MXenes, termasuk prediksi bahwa permukaannya bersifat metalik. Namun, mengamati lebih dekat cacat permukaan dan sifat heterogenitasnya merupakan langkah penting dalam memahami bagaimana cacat tersebut memengaruhi perilaku materials, menurut tim tersebut.

“Dalam penelitian ini, kami mulai menarik benang-benangnya. Kami mampu membayangkan dan mulai menetapkan beberapa fungsi kimia,” kata Weiss. “Salah satu aspek MXenes yang paling menarik dan belum diketahui adalah peran cacat dan heterogenitasnya dalam fungsi dan stabilitas lingkungannya. Kini kami memiliki kesempatan untuk mengeksplorasi peran-peran ini.”

Mengandalkan keahlian kolektif para ilmuwan materials Drexel, kelompok STM di UCLA dan Lawrence Berkley Nationwide Laboratory, serta ilmuwan teoretis di Cal State Northridge, kelompok ini akan melanjutkan analisis ketatnya terhadap materials sembari menyusun proses modulasi komposisi kimianya guna menyesuaikan fungsinya untuk penggunaan yang berbeda-beda.

Referensi: “Investigasi skala atom pada permukaan Ti3C2Tx MXene” oleh Katherine E. White, Yi Zhi Chu, Gilad Gani, Stefano Ippolito, Kristopher Okay. Barr, John C. Thomas, Alexander Weber-Bargioni, Kah Chun Lau, Yury Gogotsi dan Paul S. Weiss, , Urusan.
DOI: 10.1016/j.matt.2024.06.025

Studi ini didanai oleh Departemen Energi AS.