Forschende der Empa in Dübendorf haben entscheidende Fortschritte bei der Modellierung und Synthese von MXenen erzielt. Diese zweidimensionalen Materialien, die oft als 'Hochleistungs-Lasagne' beschrieben werden, eröffnen neue Wege für Anwendungen von der CO₂-Abscheidung bis zur Krebstherapie. Das interdisziplinäre Projekt 'TailorX' verbessert nicht nur das Verständnis dieser vielseitigen Nanoteilchen, sondern entwickelt auch nachhaltigere Herstellungsmethoden.
Wichtige Erkenntnisse
- MXene sind eine neue Klasse zweidimensionaler Materialien mit einzigartigen Eigenschaften.
- Empa-Forschende haben die Synthese und Modellierung von MXenen erheblich verbessert.
- Potenzielle Anwendungen reichen von der CO₂-Abscheidung und Energiespeicherung bis zur gezielten Krebstherapie.
- Das 'TailorX'-Projekt hat eine umweltfreundlichere Herstellungsmethode für MXene entwickelt.
- Die interdisziplinäre Zusammenarbeit an der Empa ist entscheidend für den Fortschritt in diesem Forschungsfeld.
Ein Blick auf MXene: Die 'Hochleistungs-Lasagne' der Materialwissenschaft
Zweidimensionale Materialien bestehen aus nur einer einzigen Atomlage. Diese einzigartige Struktur verleiht ihnen besondere Eigenschaften, die sie für die moderne Forschung attraktiv machen. Graphen, bekannt für seine elektrische Leitfähigkeit, ist das prominenteste Beispiel. Doch MXene treten zunehmend ins Rampenlicht. Sie bestehen aus Übergangsmetallen in Kombination mit Stickstoff oder Kohlenstoff, im Gegensatz zu Graphen, das nur aus Kohlenstoff besteht.
Die Herstellung von MXenen beginnt mit sogenannten MAX-Phasen, keramischen Kristallen mit einer Schichtstruktur. Empa-Forscher Jakob Heier vergleicht diese Struktur anschaulich mit einer Lasagne. Durch einen Ätzprozess mit starker Säure werden die Zwischenschichten entfernt. Die verbleibenden, nun unverbundenen Schichten werden anschliessend in einem Ultraschallbad voneinander getrennt, wodurch die gewünschten MXene entstehen.
Faktencheck: MXene
- Entdeckung: Erst vor rund 15 Jahren.
- Zusammensetzung: Übergangsmetalle mit Stickstoff oder Kohlenstoff.
- Ausgangsmaterial: MAX-Phasen (keramische Kristalle).
- Eigenschaften: Hohe elektrische Leitfähigkeit, mechanische Robustheit, grosse Oberfläche.
Das Empa-Projekt 'TailorX' und interdisziplinäre Forschung
Die Empa hat das Forschungsprojekt 'TailorX' ins Leben gerufen, um das Potenzial von MXenen umfassend zu erforschen. Unter der Leitung von Jakob Heier arbeiten Wissenschaftler aus vier verschiedenen Empa-Laboren zusammen: Funktionspolymere, Hochleistungskeramik, Building Energy Materials and Components sowie nanotech@surfaces. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht es, die gesamte Bandbreite von der Grundlagenforschung über die Synthese bis hin zu den Anwendungen abzudecken.
«Es ist eine grosse Stärke der Empa, dass all diese Kompetenzen an einem Institut zusammenkommen», betont Jakob Heier.
Das 2024 gestartete Projekt hat bereits beeindruckende Ergebnisse geliefert. Michael Stuer vom Labor für Hochleistungskeramik berichtet von einem grossen Portfolio an MAX-Phasen, die mit hohem Reinheitsgrad synthetisiert werden können. Das Verständnis der Syntheseprozesse hat es ermöglicht, zahlreiche MAX-Phasen herzustellen, die auf dem Markt noch nicht verfügbar sind.
KI-Modelle optimieren Synthese und Anwendung
Eine wichtige Unterstützung kommt vom Labor «nanotech@surfaces». Dort wurden verschiedene KI-Modelle entwickelt. Diese Modelle helfen, die Synthese der MAX-Phasen und die Geometrie der MXene vorherzusagen und zu verstehen. Cesare Roncaglia von «nanotech@surfaces» erklärt, dass die Modellierung auch für die Anwendung der MXene entscheidend ist.
Ein aktuelles Modell beschreibt die Interaktion von MXenen mit CO₂. Dies ist ein Schwerpunkt der Forschung, da die grossen Oberflächen der 2D-Materialien das Potenzial haben, CO₂ aus der Luft zu binden und in nutzbare Rohstoffe umzuwandeln. Dies passt zur umfassenden Empa-Forschungsinitiative «Mining the Atmosphere», die sich der Nutzung von atmosphärischem CO₂ widmet.
Hintergrund: Zweidimensionale Materialien
Zweidimensionale Materialien sind Stoffe, die nur eine Atomlage dick sind. Sie weisen aufgrund ihrer extrem geringen Dicke oft ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften auf, die in dreidimensionalen Materialien nicht zu finden sind. Neben Graphen sind MXene eine vielversprechende Klasse dieser Materialien, die aufgrund ihrer vielfältigen Zusammensetzung massgeschneidert werden können.
Breites Anwendungsspektrum von Energie bis Medizin
Das Potenzial der MXene ist noch lange nicht ausgeschöpft. Die vielseitigen 2D-Nanoteilchen könnten in der breiteren Katalyse, in der Energiespeicherung und in der Sensorik eingesetzt werden. Besonders spannend sind auch die Anwendungen in der Medizin. Bestimmte MXene zeigen antimikrobielle Wirkungen und könnten in der gezielten Krebstherapie eine Rolle spielen. Forschende der Empa in St. Gallen untersuchen bereits die Wirkung auf lebende Zellen und die Umweltverträglichkeit.
Grünere Herstellung für kommerzielle Verfügbarkeit
Die Umweltverträglichkeit ist auch bei der Herstellung der MXene ein zentrales Thema. Traditionell werden stark ätzende Säuren für den Ätzprozess verwendet. Dies ist nicht nur gefährlich, sondern auch kostspielig und umweltbelastend, wie Shanyu Zhao vom Labor «Building Energy Materials and Components» erklärt. Er führt aus: «Der Ätzprozess ist mit ein Grund, warum erst wenige MXene kommerziell erhältlich sind.»
Im Rahmen des 'TailorX'-Projekts hat sein Team eine alternative, 'grüne' Methode zur Exfoliation der MXene aus den MAX-Phasen entwickelt. Dieser neue Prozess verzichtet auf aggressive Flusssäure und ist effektiver und schonender. Dies macht die Herstellung nicht nur nachhaltiger, sondern auch skalierbarer für zukünftige kommerzielle Anwendungen.
- Energiespeicherung: Einsatz in Superkondensatoren und neuartigen Batterien.
- Umweltschutz: CO₂-Abscheidung und Umwandlung.
- Medizin: Antimikrobielle Wirkung und gezielte Krebstherapie.
- Sensorik: Entwicklung von hochsensiblen Sensoren.
- Materialwissenschaft: Elektromagnetisch isolierende Aerogele.
Das Ende des 'Research Booster'-Projekts markiert für die Forschenden den Beginn weiterer Arbeiten. Neue Projekte sind bereits angelaufen, um MXene in vielfältige Anwendungen zu integrieren. Dazu gehören leistungsstarke Superkondensatoren, neuartige Batterien, elektromagnetisch isolierende Aerogele und medizinische Sensoren. Gleichzeitig wird die Grundlagenforschung an dieser jungen Materialklasse fortgesetzt.
«Mit ihrer Flexibilität und Anpassbarkeit bieten MXene so grosse Vorteile, dass die Anwendungen nicht mehr lange auf sich warten lassen», zeigt sich Jakob Heier optimistisch.
