MAX는 금속과 세라믹 소재의 우수한 특성을 결합한 새로운 합성 소재로 고속 강유전체 보우, 고온 절연 커버, 내마모 코팅 등의 분야에서 좋은 응용 가능성을 갖고 있습니다. 그러나 그러한 재료를 준비하는 것은 항상 어려운 일이었습니다.
중국과학원 닝보재료연구소 연구원 황칭(Huang Qing)은 팀을 이끌고 "뒤틀린 루빅스 큐브"와 유사하게 기존 경로를 통해 합성할 수 없는 많은 새로운 MAX 상 및 MXene 물질을 생성할 수 있는 새로운 방법을 제안했습니다. ". 이는 이러한 재료의 응용 범위를 넓힐 뿐만 아니라 재료 합성에 무한한 상상력을 불러일으킵니다. 베이징 시간으로 3월 17일, 연구 결과는 사이언스(Science) 저널에 공식적으로 게재되었습니다.
주기율표에는 MAX 상과 MXene을 구성하는 원소의 유형이 요약되어 있습니다. 연한 파란색은 M-site 요소, 흙빛 갈색은 A-site 요소, 검정색은 X-site 요소, 녹색은 말단 그룹 요소를 나타내고 원 안의 요소는 논문에서 실험적으로 검증된 요소입니다. 출처: 중국과학원 닝보재료연구소
특수합성재료
금속과 세라믹이 '강하게 결합'하면 어떤 화학반응이 일어나나요?
특수 인공 합성 재료인 MAX 상 재료는 항상 재료 분야의 연구 핫스팟 중 하나였습니다. Huang Qing은 M이 전이 금속 원소를 나타낸다고 소개했습니다. A는 IIIA 및 IVA의 주요 그룹 요소를 나타냅니다. X는 탄소, 질소 또는 붕소를 나타냅니다. M. A와 X의 세 가지 유형의 요소는 서로 다르게 배열되고 결합되어 다양한 MAX 상 물질을 형성할 수 있습니다.
독특한 나노층 결정 구조 덕분에 이러한 유형의 소재는 금속처럼 전기와 열을 전도할 수 있고 부드럽고 가공이 쉬우며 인성이 높습니다. 세라믹과 유사하게 내산화성, 고온 저항성, 방사선 부식 저항성과 같은 특성을 가지고 있습니다. 이는 고속철도 팬터그래프, 고온 가열 요소, 터빈 블레이드, 고온 절연 커버 및 내마모 코팅과 같은 분야에서 큰 응용 가능성을 보여주었습니다.
요소 A가 제거되면 MAX 상 물질은 새로운 유형의 물질 MXene으로 파생됩니다. MXene의 원자 배열은 그래핀과 유사하며, 광전자소자, 전기화학적 에너지 저장, 전자파 차폐, 표면 촉매, 분리막 등의 분야에 응용 가능성이 큰 것으로 이해된다.
다만, M, A, X 3가지 원료 중 일부 원소는 호환되지 않습니다. 이들이 평화롭게 공존할 수 있도록 하고 특정 기능을 갖춘 고품질 소재를 준비하는 것은 어려운 일입니다.
"화학 가위"를 이용한 층상 전이 금속 탄화물의 구조 편집 전략 개략도 출처: 중국과학원 닝보 재료연구소
Twisting Rubik's Cube to Prepare New Materials
화학 원소의 구성과 구조는 재료의 특성을 결정합니다.
In order to meet the application needs of different fields, scientists hope to accurately regulate the microstructure of MAX phase and MXene materials, and prepare new materials with specific functions.
As early as 2019, Huang Qing's team proposed a green preparation technology and successfully synthesized zinc MAX phase materials for the first time. The previous work was actually using an oxidizing 'chemical scissors' to etch elements between layers, that is, to reduce the elements we need to regulate, "Huang Qing said.
에칭 후 요소를 재조립할 수 있나요? 이 가설을 검증하기 위해 Huang Qing 팀은 여러 실험을 수행했습니다. 마지막으로, 그들은 환원성 "화학 가위"인 금속이 2차원 MXene 재료를 3차원 MAX 상 재료로 재조립할 수 있다는 것을 발견했습니다.
Huang Qing explained that MAX phase materials are like building blocks, composed of three types of elements: M, A, and X, which are sequentially spliced from left to right. In the past, to cut the middle element A, scientists needed to break down three building blocks, equivalent to crushing the entire chemical structure, in order to "extract" the middle element A.
그리고 그들이 제안한 새로운 전략은 원래 구조를 손상시키지 않고 3층짜리 루빅스 큐브의 중간층을 살짝 비틀고 요소 A를 벗겨내는 "트위스팅 루빅스 큐브"와 유사하다. 새로운 요소를 나타내는 루빅스 큐브 블록을 원래 위치로 비틀면 MAX 위상 재료가 "동형 대체"를 달성합니다.
Huang Qing is guiding graduate students. Source: Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences
재료 연구에 끝없는 상상력을 더하다
The continuous transformation and combination of chemical "magic cubes" have brought endless imagination to material research.
"화학 가위" 보조 구조 편집 방법의 도움으로 Huang Qing 팀은 기존 방법으로는 합성할 수 없는 일련의 새로운 MAX 상 재료를 준비했습니다.
이 중 자성소자, 귀금속 등 비전통적인 A사이트 소자의 도입으로 고온 구조 분야에서 자성, 광전자공학, 촉매작용, 초전도성 등 기능적 응용으로 확대될 것으로 기대된다.
이 방법을 사용하여 Huang Qing 팀은 또한 일련의 새로운 MXene 물질을 얻었으며, 이는 촉매 작용, 에너지 저장, 전자기 차폐 및 기타 분야에서 MXene의 추가 적용을 촉진할 것으로 예상됩니다.
"This opens a new way for material synthesis, which is a directional success." Chai Zhifang, an academician of the CAS Member and chief scientist of the Advanced Energy Materials Engineering Laboratory of Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences, explained that this method is like making sandwiches according to everyone's "taste". Different ingredients can be added to two pieces of bread, such as chicken, fish fillets, lettuce, etc., so that everyone can take what they need.
Many important materials that have received much attention can be synthesized using this method, and I believe it will receive more and more attention and applications in the future, "Huang Qing said.
