MXene als „Rahmen“ für zweidimensionale Wasserfilme zeigt neue Eigenschaften

Ein internationales Team unter Leitung von Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat MXene mit eingeschlossenem Wasser und Ionen an der BESSY II untersucht. Dabei ging das Wasser mit steigender Temperatur vom Zustand als lokalisierte Eiskluster in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Das Team entdeckte dabei, dass diese strukturellen Veränderungen des eingeschlossenen Wassers im MXene einen reversiblen Phasenübergang bewirken: vom Metall zum Halbleiter. Dies könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente oder Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.

Wasser hat noch immer unbekannte Seiten. Wenn Wasser durch Einschluss in geeignete Materialien in zwei Dimensionen gezwungen wird, entstehen neue Eigenschaften, Phasenübergänge und Strukturen. MXene als Materialklasse bieten eine einzigartige Plattform für die Erforschung dieser Phänomene. MXene bestehen aus Übergangsmetallcarbiden und -nitriden, die eine Schichtstruktur bilden, deren Oberflächen Wasser leicht absorbieren. Zwischen den einzelnen Schichten bildet das Wasser einen sehr dünnen Film.

Ein Team um Dr. Tristan Petit, HZB, und Yury Gogotsi, Drexel University, USA, hat an BESSY II eine Reihe von MXene-Proben mit eingeschlossenem Wasser und verschiedenen Ionen mit einer Reihe von Methoden untersucht.

So zeigen Röntgenstrukturanalysen bei sinkenden Temperaturen, wie sich amorphe Eisklumpen im eingeschlossenen Wasser bilden und den Abstand zwischen den MXene-Schichten vergrößern. Der zuvor metallische MXene-Film wird dann zu einem Halbleiter. „Bei Erwärmung über 300 K lösen sich die Cluster wieder auf, wodurch der Abstand zwischen den Schichten und ihr metallisches Verhalten wiederhergestellt werden“, sagt Petit. Dieser Metall-Halbleiter-Übergang ist also reversibel, solange die Wasserschicht nicht entfernt wird. Weitere Röntgenuntersuchungen mit verschiedenen Techniken deckten noch mehr interessante Eigenschaften der Wasser-Wasserstoff-Bindungsnetzwerke auf.

„Im nächsten Schritt benötigen wir computergestützte Modellierungen, um die Bildung von amorphem Eis und dessen Auswirkungen auf den Elektronentransport besser zu verstehen“, sagt Katherine Mazzio, Co-Erstautorin der Studie. Sie kommt zu dem Schluss, dass MXene ideal für die Untersuchung der Phasenübergänge von eingeschlossenem Wasser geeignet sind und neue Einblicke in das Verhalten von Wasser im Nanobereich liefern können. Die Verwendung von MXene als Material für Energiespeicherung und Katalyse wird bereits diskutiert. Die Rolle von eingeschlossenem Wasser für die einzigartigen Eigenschaften von MXene für diese Anwendungen ist ein spannendes Forschungsfeld.