과학자들은 MXene을 배터리와 센서를 과급하는 작은 나노스크롤로 전환합니다.

저널에 발표된 연구 첨단소재MXene 전구체로부터 이러한 나노스크롤을 생산하는 동시에 모양과 화학적 구성을 정밀하게 제어하는 ​​확장 가능한 방법을 소개합니다.

“2차원 형태는 많은 응용 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 1D 형태가 우수한 응용 분야가 있습니다.”라고 논문의 교신저자이자 드렉셀 공과대학의 바흐 교수이자 저명한 대학의 Yury Gogotsi 박사가 말했습니다. “강판을 금속 파이프나 철근에 비유하는 것과 같습니다. 차체를 만들려면 강판이 필요하지만 물을 펌핑하거나 콘크리트를 보강하려면 긴 튜브나 막대가 필요합니다.”

플랫 시트에서 관형 나노구조까지

연구팀은 평평한 MXene 플레이크를 송수관보다 약 1만 배 더 얇은 작은 관형 구조로 굴려 나노스크롤을 만들었습니다. 이러한 튜브형 재료는 폴리머와 금속을 강화하거나 훨씬 적은 저항으로 배터리 및 담수화 시스템에서 이온의 이동을 안내할 수 있습니다.

“표준 2D MXene을 사용하면 플레이크가 서로 편평하게 놓여서 제한된 공간을 만들고 이온이나 분자가 층 사이를 탐색하고 이동하기 어려운 경로를 만듭니다.”라고 공과대학의 박사후 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 Teng Zhang 박사는 말했습니다. “2D 나노시트를 1D 스크롤로 변환함으로써 우리는 이러한 나노 감금 효과를 방지합니다. 개방형 관형 구조는 빠른 이동을 위한 ‘고속도로’를 효과적으로 생성하여 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다.”

탄소 나노튜브와 같이 그래핀으로 만든 유사한 구조가 이미 잘 알려져 있지만, 일관된 고품질 MXene 나노스크롤을 생산하는 것은 어려웠습니다. MXene은 더 풍부한 화학, 더 쉬운 가공 및 더 높은 전도성을 포함하여 그래핀에 비해 이점을 제공하지만, 스크롤을 형성하려는 초기 시도는 종종 고르지 않은 결과로 이어졌습니다.

MXene 나노스크롤을 생산하기 위한 확장 가능한 방법

나노스크롤을 만들기 위해 연구자들은 다층 MXene 플레이크부터 시작합니다. 화학적 환경을 조심스럽게 조정함으로써 그들은 물을 사용하여 재료의 표면 화학을 변화시킵니다. 이는 야누스 반응(Janus Reaction)이라는 구조적 불균형을 유발하여 층 내에 내부 변형을 생성합니다. 이 변형이 풀리면 층이 벗겨지고 단단한 두루마리 모양으로 말립니다.

연구팀은 이 방법을 두 가지 형태의 티타늄 카바이드와 니오븀 카바이드, 바나듐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 티타늄 탄질화물 등 6가지 유형의 MXene에 성공적으로 적용했습니다. 그들은 화학적, 물리적 특성이 제어된 10g의 나노스크롤을 일관되게 생산할 수 있었습니다.

향상된 전도도 및 감지 기능

스크롤형 구조는 전기 전도성과 기계적 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 재료가 분자와 상호 작용하는 방식도 변경합니다. 이는 감지 응용 분야 및 고급 복합 재료에 특히 유망합니다.

표준 적층형 2D 구조에서는 분자 흡착을 위한 활성 부위가 층 사이에 숨겨져 있는 경우가 많아 분자, 특히 큰 생체분자가 이에 도달하기 어렵게 만든다고 Gogotsi는 말했습니다. “스크롤의 개방형 중공 구조는 분석물이 MXene 표면에 쉽게 접근할 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다. 재료의 높은 전도성 및 기계적 강성과 결합하여 강력하고 안정적인 신호를 얻을 수 있습니다. 따라서 우리는 바이오센싱에 스크롤을 사용할 것을 구상합니다. 전도성 스크롤의 동일한 접근 가능한 표면은 표면에 이온과 분자의 접근이 필요한 가스 센서, 전기화학 축전기 및 기타 장치에 유용할 수 있습니다.”

웨어러블 전자 장치 및 스마트 섬유의 응용

연구원들은 또한 이오노트로닉 장치라고도 알려진 웨어러블 전자 장치에서 MXene 나노스크롤의 강력한 잠재력을 확인했습니다. 이러한 시스템에서 스크롤은 재료를 강화하고 전도성을 향상시킬 수 있습니다. 견고한 구조 덕분에 부드러운 폴리머 내에 고정되어 안정적인 전도성 네트워크를 유지하면서 강도를 추가할 수 있습니다.

이 조합은 반복적인 구부림과 움직임에도 계속 기능하는 신축성 있는 소재로 이어질 수 있습니다.

연구팀은 또한 용액 내 나노스크롤의 방향이 전기장을 사용하여 제어될 수 있음을 발견했습니다. 즉, 직물의 섬유와 정렬되어 스마트 직물을 위한 내구성과 전도성 코팅이 더욱 향상될 수 있습니다.

Zhang은 “사람의 머리카락보다 100배 더 얇은 수백만 개의 세관을 조작하여 와이어를 만들거나 수직으로 세워 브러시를 만드는 것을 상상해 보십시오”라고 말했습니다. “나노 규모에서 물질을 조작할 수 있기 때문에 이것은 진정한 나노기술입니다. 또한 두루마리가 합성 섬유의 보강재로 통합될 수 있기 때문에 기능성 직물에 있어서 중요한 발전입니다.”

초전도성과 미래 양자 응용

앞으로 연구원들은 이러한 나노스크롤이 양자 수준에서 어떻게 동작하는지, 특히 초전도 가능성을 추가로 조사할 계획입니다.

지금까지 이 종류의 MXene의 초전도성은 입자와 분말의 압축된 펠릿으로 제한되었으며 기계적 유연성을 갖춘 용액 처리 필름에서는 결코 실현되지 않았습니다. “니오븀 카바이드 스크롤을 사용하여 처음으로 자립형 거시적 필름에서 초전도성을 가능하게 할만큼 충분한 물질의 변화를 관찰했습니다. 스크롤링 공정은 평평한 시트에는 없는 특정 격자 변형과 곡률을 도입합니다. 정확한 물리적 메커니즘은 아직 연구 중이지만 우리는 이 변형이 연속적인 1D 구조와 결합되어 초전도 상태를 안정화한다고 가정합니다.”

양자 물질에 ​​대한 관심이 높아지면서 MXene과 같은 나노 물질은 컴퓨팅 성능과 데이터 저장 능력을 향상시키는 능력으로 주목을 받고 있습니다. 이 연구는 MXene 초전도성을 보다 실용적이고 유용한 특성으로 전환함으로써 중요한 진전을 이루었습니다.

“이 논문에 설명된 방법을 사용하여 우리는 이제 잠재적인 초전도 인터커넥터 또는 양자 센서를 위해 실온에서 초전도 MXene을 유연한 필름, 코팅 또는 와이어로 가공할 수 있습니다”라고 Zhang은 말했습니다. “우리는 스크롤링으로 인해 발생하는 다른 많은 흥미로운 현상을 기대하고 이에 대해 연구할 예정입니다.”