Nowe materiały 2D pod lupą naszych naukowców

Zespół z Wydziału Inżynierii Materiałowej bada nową grupę materiałów dwuwymiarowych – to fazy MBenes. Ich unikalne i wciąż nie do końca rozpoznane właściwości mogą w przyszłości zostać wykorzystane m.in. w ochronie zdrowia czy ochronie środowiska.

Materiały dwuwymiarowe (2D) to supercienkie płatki lub warstwy o grubości atomowej, praktycznie przeświecalne przez światło, a przy tym niezwykle wytrzymałe. Należy do nich np. grafen. Od kiedy został odkryty, cały czas poszukuje się kolejnych materiałów 2D.

Zajmują się tym także naukowcy z Politechniki Warszawskiej z zespołu dr hab. inż. Agnieszki Jastrzębskiej, prof. uczelni.

– Fazy MBenes, podobnie jak znane nam od dziesięciu lat MXenes, to materiały przyszłości – zwraca uwagę prof. Jastrzębska. – Obie te grupy potrafią łączyć właściwości, które wydają się sprzeczne, jak np. przewodność elektryczna i perfekcyjna hydrofilowość powierzchni. Są więc podobne, ale jednocześnie różne. Fazy MXenes to węgliki i azotki wczesnych metali przejściowych połączone z węglem i/lub azotem, a MBenes – z atomami boru.

Dzięki temu MBenes, w przeciwieństwie do całkowicie płaskiej struktury MXenes, mają strukturę bardziej rozbudowaną, np. trójwymiarową (3D).

– Oznacza to, że na poziomie atomowym i komórki elementarnej istnieje cała gama różnych schematów dla położeń atomów boru – wyjaśnia prof. Jastrzębska. – Szczególnie dobrze to widać na zdjęciach SEM, na którym krawędzie płatków przypominają porowatą gąbkę.

To zwiastuje niezwykle ciekawe właściwości w zakresie aktywności fizycznej (np. adsorpcja światła) czy chemicznej (reaktywność). Taka struktura to jednak także wyzwanie.

– MBenes otrzymuje się z metodą chemicznego wytrawiania pierwiastka A z wielowarstwowej fazy MAB i wydawałoby się, że sprawa jest tak samo prosta jak w przypadku otrzymywania MXenes z faz MAX – wskazuje prof. Jastrzębska. – Niestety, trójwymiarowość struktury opartej na atomach boru utrudnia szybkie trawienie lub wręcz je uniemożliwia. Dlatego poszukujemy bardziej zaawansowanych metod syntezy i mamy na tym polu już pierwsze sukcesy.

Jakie? Naukowcy jeszcze nie mogą tego zdradzić. Tajemnicą nie jest jednak potencjał drzemiący w fazach MBenes.

– Perspektywa wymiany popularnego węgla i azotu na bor stwarza nowe możliwości w zakresie wzajemnych relacji materiał – struktura – właściwość – mówi prof. Jastrzębska. – Oczekujemy, że unikalność i zagadkowość faz MBenes umożliwi nowe odkrycia w chemii i fizyce materiałów, a co za tym idzie – przekroczenie nieosiągalnych dotychczas parametrów dla nowych systemów funkcjonalnych i wysoko wydajnych materiałów, np. w ochronie zdrowia czy ochronie środowiska. Liczymy także na poprawienie wytrzymałości wyrobów opartych właśnie na tych materiałach.

Zespół z Wydziału Inżynierii Materiałowej współpracuje z wieloma ośrodkami zagranicznymi. Efektem kooperacji z prof. Andreasem Rosenkranzem z Universidad de Chile, Department of Chemical Engineering, Biotechnology and Materials Science jest publikacja pt. „2D MBenes: A Novel Member in the Flatland” w „Advanced Materials” – jednym z najbardziej prestiżowych czasopism w świecie zajmujących się inżynierią materiałową. W artykule można bliżej poznać badania grupy kierowanej przez prof. Jastrzębską.