Le monde des carbures et nitrures bidimensionnels (MXenes)
Une famille de matériaux fins
Les matériaux bidimensionnels (2D) ont suscité l’intérêt en raison des propriétés inhabituelles qui se dégagent de ces structures confinées. Il existe une famille croissante de carbures et de nitrures métalliques 2D connus sous le nom de MXènes qui contiennent un nombre impair de couches dans lesquelles les métaux (M) prennent en sandwich des couches de carbone ou d’azote (X). VahidMohammadi et al. passé en revue les progrès réalisés dans la synthèse de cette bibliothèque croissante de matériaux. Des combinaisons de métaux mixtes peuvent être utilisées, ainsi qu’une gamme de terminaisons de surface, permettant d’ajuster les propriétés. Cependant, il reste encore des défis à relever pour améliorer les méthodes de synthèse et développer des techniques pouvant être étendues.
La science, abf1581, ce numéro p. eabf1581
Résumé structuré
CONTEXTE
L’appréciation du fait que la synthèse de matériaux bidimensionnels (2D) ne nécessite pas nécessairement des précurseurs stratifiés liés par van der Waals a conduit à la découverte de nombreux nouveaux matériaux, y compris MXenes – carbures et nitrures 2D de métaux de transition, produits par gravure sélective de matériaux fortement liés. solides en couches. Ti3C2 a été signalé pour la première fois en 2011 et a ouvert la voie à la synthèse de Ti2C, Ta4C3, et d’autres MXènes de leurs précurseurs de phase MAX, démontrant trois types de structures possibles (M2X, M3X2, et M4X3). M5C4 a été produit plus tard, augmentant encore la diversité structurelle et portant le nombre de compositions théoriquement possibles à plus de 100, y compris celles avec un ordre dans le plan et hors du plan des atomes métalliques. Considérant diverses terminaisons de surface de MXenes, le nombre de compositions distinctes augmente d’un autre ordre de grandeur. La capacité de MXenes à former des carbonitrures et des solutions solides suggère un nombre potentiellement infini de compositions et ouvre une nouvelle ère de conception atomistique de matériaux 2D basée sur le calcul.
AVANCES
MXenes ajoute un grand nombre de blocs de construction, principalement des conducteurs métalliques, à la famille des matériaux 2D, dont la plupart sont des diélectriques, des semi-conducteurs ou des semi-métaux. En utilisant les propriétés ajustables de MXenes, on peut construire des dispositifs allant des transistors aux supercondensateurs, batteries, antennes et capteurs à partir de nanofeuilles 2D en utilisant la fabrication additive ou d’autres techniques de revêtement et de traitement. Les MXenes ont déjà montré diverses propriétés électroniques, optiques, chimiques et mécaniques, et le concept de MXetronics (optoélectronique entièrement MXene) a été proposé. Une conductivité électronique élevée permet leur utilisation dans les collecteurs de courant, les interconnexions et les encres conductrices. Les MXenes possèdent des propriétés plasmoniques électrochimiquement et chimiquement accordables, avec des transitions interbandes et des pics de résonance plasmonique couvrant toute la gamme ultraviolette, visible et proche infrarouge, ce qui permet leurs applications en thérapie électrochromique et photothermique. Leur forte interaction avec les ondes électromagnétiques allant du térahertz au gigahertz est utilisée dans le blindage et la communication contre les interférences électromagnétiques. L’activité redox des atomes de métaux de transition à la surface du MXene permet le stockage électrochimique de l’énergie dans les batteries et les supercondensateurs ainsi que l’électrocatalyse. Un espacement contrôlé entre les feuilles 2D est utilisé pour la séparation des gaz, la purification de l’eau et la dialyse. La charge de surface des MXenes permet un traitement aqueux sans tensioactifs ni liants ainsi que la formation de cristaux liquides. Les molécules organiques, les polymères et les ions peuvent être intercalés entre les couches de MXene, permettant un réglage des propriétés et des assemblages multicouches. Les MXenes à base de titane non toxiques et respectueux de l’environnement, constitués d’éléments abondants, et leurs hybrides et composites avec des polymères, des céramiques et des métaux attirent particulièrement l’attention.
PERSPECTIVES
Alors que des progrès ont été réalisés dans la préparation des carbures MXènes, la synthèse des nitrures est à la traîne. La synthèse en phase vapeur est nécessaire pour l’intégration de MXenes sur des puces en utilisant la technologie actuelle des dispositifs de microfabrication. Des méthodes de synthèse à grande échelle et respectueuses de l’environnement sont la clé d’une large utilisation des MXenes dans les futures technologies de fabrication additive. Un contrôle précis de la structure et de la chimie de surface, y compris l’ingénierie des défauts et des déformations, devrait ouvrir la voie à des MXènes intrinsèquement semi-conducteurs, topologiquement isolants et ferromagnétiques théoriquement prédits, ainsi qu’à d’autres découvertes en physique et en chimie des MXènes. Les MXenes mécaniquement résistants, écologiquement stables et hautement conducteurs peuvent avoir un impact majeur sur les appareils électroniques auto-alimentés flexibles, imprimables et portables. Cependant, l’utilisation de MXenes en combinaison avec d’autres matériaux 2D pour construire des hétérostructures et des dispositifs par auto-assemblage à partir d’une solution est peut-être la perspective la plus excitante.
Le grand nombre de compositions de MXène ayant des structures à trois, cinq, sept ou neuf couches atomiques contenant un ou deux types d’atomes métalliques et diverses terminaisons de surface (-F, =O, -Cl, -Br, etc.) se sont révélées prometteuses. propriétés optoélectroniques, mécaniques et électrochimiques. Ils ont trouvé une utilisation dans un large éventail d’applications allant du stockage et de la récupération d’énergie à la catalyse, la purification et le dessalement de l’eau, le blindage contre les interférences électromagnétiques, la communication, l’optique, l’électronique, la plasmonique, les capteurs, les actionneurs, les composites et la médecine.
Abstrait
Une décennie après le premier rapport, la famille des carbures et nitrures bidimensionnels (2D) (MXenes) comprend des structures à trois, cinq, sept ou neuf couches d’atomes sous forme de solution ordonnée ou solide. Des dizaines de compositions de MXene ont été produites, résultant en des MXene avec des terminaisons de surface mixtes. Les MXenes ont montré des propriétés électroniques, optiques, mécaniques et électrochimiques utiles et réglables, conduisant à des applications allant de l’optoélectronique, du blindage contre les interférences électromagnétiques et des antennes sans fil au stockage d’énergie, à la catalyse, à la détection et à la médecine. Nous présentons ici une revue prospective du domaine des MXenes. Nous discutons des défis à relever et décrivons des axes de recherche qui approfondiront la compréhension fondamentale des propriétés des MXenes et permettront leur hybridation avec d’autres matériaux 2D dans diverses technologies émergentes.