MXenes, czyli nowa rodzina materiałów 2D w Politechnice Warszawskiej

Od czasu odkrycia specyficznych właściwości grafenu obserwuje się lawinowy wzrost zainteresowania materiałami dwuwymiarowymi (2D). Postęp w dziedzinie nauk technicznych stwarza wiele szans rozwoju takich materiałów i obecnie można uznać, że jest to jeden z najszybciej rozwijających się kierunków w nauce. W tym obszarze interesujące są nowe struktury z uwagi na ich specyficzne właściwości fizyko-chemiczne i bioaktywne. Właśnie taką ciekawostkę stanowią fazy MXenes, znane także jako węgliki, azotki i węglikoazotki lekkich metali przejściowych.

Pierwsze doniesienia na ich temat pochodzą 2011 r., w którym grupa badawcza z Drexel University w USA opublikowała swoją pierwszą pionierską pracę w czasopiśmie Advanced Materials. Jak większość przełomowych odkryć w nauce, pomysł ich ekspandowania metodą selektywnej eliminacji jednego z pierwiastków i delaminacji do pojedynczych płatków powstał przypadkiem, w trakcie badań nad opracowaniem porowatych materiałów elektrodowych do zastosowania w superkondensatorach.

W krótkim czasie okazało się, że jest to bardzo duża grupa nowych materiałów o anizotropowej strukturze krystalicznej, wykazujących uporządkowanie dalekiego zasięgu w wyniku obecności silnych wiązań chemicznych. Pierwszym efektem prac badawczych nad MXenes były struktury typu: Ti₂C, Ti₂N, Nb₂C, V₂C, Mo₂C, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₄N₃, czy Nb₄C₃.Charakteryzuje je zapis ‘M_n+1X_n’, który odzwierciedla ich układ stechiometryczny, gdzie: M stanowi lekki metal przejściowy, X - węgiel i/lub azot, natomiast n = 1, 2 lub 3. W fazach MXenes występuje więc warstwowe ułożenie M_n+1X_n, dzięki któremu, charakteryzują się one urokliwą morfologią płatkową.

Poniżej przykładowe zdjęcie SEM najpopularniejszej fazy Ti₃C₂ MXene (zdjęcie 1). Materiał po delaminacji posiada natomiast morfologię zredukowaną do pojedynczych płatków, bardzo przypominających popularny grafen, czy tlenek grafenu (zdjęcie 2).

Fazy MXenes stanowią młodą i dopiero wstępnie zbadaną grupę nanomateriałów o strukturze 2D kryształu, posiadających właściwości pośrednie między metalami a materiałami ceramicznymi. Od momentu pojawienia się MXenes w Politechnice Warszawskiej realizowane są prace badawcze, których pomysłodawcą i liderem jest dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska z Wydziału Inżynierii Materiałowej PW. Badania prowadzone są w szerokiej współpracy czterech Wydziałów: Inżynierii Materiałowej, Chemicznego, Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, a także Wydziału Fizyki. W przedsięwzięciu biorą udział również inne jednostki: Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Uniwersytet Warszawski, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz jednostki zlokalizowane w Szczecinie: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny i Pomorski Uniwersytet Medyczny.

Współpraca zagraniczna w ramach badań nad MXenes obejmuje przede wszystkim jednostki z USA, od początku zajmujące się tymi materiałami: Drexel University i Tulane University, w ramach których współpracują z Wydziałem Inżynierii Materiałowej PW twórcy MXenes, ale również Universitatea Tehnica Cluj-Napoca (Rumunia) czy Palacký University Olomouc (Czechy).

Głównym celem prowadzonych wspólnie prac jest zbadanie właściwości biobójczych, fotokatalitycznych, umacniających w kompozytach, przeciwnowotworowych, cytotoksycznych i ekotoksycznych rodziny nowych materiałów 2D. Cele pośrednie dotyczą wdrożenia dedykowanych metod syntezy materiałów wyjściowych (faz MAX), efektywnych metod delaminacji do płatków 2D oraz opracowanie metod powierzchniowej modyfikacji, również w oparciu o połączenie badań eksperymentalnych z symulacjami komputerowymi.

Prowadzone dotychczas prace i perspektywy rozwoju MXenes zaowocowały uzyskaniem pierwszego wsparcia instytucji finansujących naukę. Należy tutaj przede wszystkim wspomnieć projekty finansowane przez Narodowe Centrum Nauki oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej w konsorcjum z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego realizowany jest projekt Sonata Bis 7 (NCN) pt. „Badania właściwości przeciwnowotworowych nano-kryształów 2D karbidków i azotków tytanu - faz MXenes”, którego  kierownikiem jest dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska, a także projekt Iuventus Plus (MNiSW) pt. „Badania właściwości bio‑aktywnych nowych dwuwymiarowych struktur karbidków lekkich metali przejściowych”. Prof. dr hab. inż. Andrzej Olszyna kieruje projektem Opus 13 (NCN) pt. „Badania właściwości kompozytów z udziałem nowej rodziny kryształów 2D”. W ostatnim czasie zespół zajmujący się materiałami MXenes uzyskał również wsparcie w ramach projektu Opus 16 (NCN) pt. „Nowa generacja nanostruktur i urządzeń na bazie dwu-wymiarowych materiałów MXenes”, pod kierownictwem prof. dr. hab. Jacka Majewskiego z Wydziału Fizyki UW. W wymienionym projekcie konsorcjantem jest Wydział Inżynierii Materiałowej PW.

Należy zaznaczyć, że bardzo ważne jest również poszukiwanie zastosowań dla opracowanych materiałów MXenes i selekcja struktur o najwyższym potencjale aplikacyjnym. Takie prace znajdują się jeszcze w fazie prób i testów, jednak biorąc pod uwagę efektywną współpracę zaangażowanych zespołów należy się spodziewać obiecujących wyników już niebawem.

Podsumowując prace nad MXenes realizowane w Politechnice Warszawskiej należy zauważyć ich bardzo szeroki zakres i różnorodną tematykę. Obejmują one także szereg innych działań jednostkowych, których celem jest stworzenie odpowiedniego zaplecza badawczego oraz interdyscyplinarnego zespołu ekspertów, skoncentrowanego wokół Wydziału Inżynierii Materiałowej PW, a specjalizującego się w wytwarzaniu i charakteryzacji faz MXenes. Naukowcy mają nadzieję na praktyczne zastosowanie opracowanych materiałów w przemyśle. Będzie to możliwe dzięki sprawnej koordynacji prac oraz przede wszystkim celowym wsparciu w ramach przyszłych planowanych projektów badawczych i badawczo-rozwojowych, o które będzie się starać polska grupa „MXenowa”.

Więcej informacji » Bioaktywne nanomateriały o strukturze 2D kryształu