Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από το TU Wien (Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης), σε συνεργασία με τα ερευνητικά κέντρα CEST και AC2T, κατάφερε να αναπτύξει μια νέα, ασφαλέστερη και πιο πρακτική μέθοδο για την παραγωγή ενός εντυπωσιακού υλικού: των MXenes. Πρόκειται για δισδιάστατα υλικά που αποτελούνται κυρίως από τιτάνιο και άνθρακα, και τα οποία, μέχρι πρότινος, ήταν εξαιρετικά δύσκολο να παραχθούν σε μεγάλη κλίμακα εξαιτίας της επικινδυνότητας της διαδικασίας παραγωγής.
Τα MXenes έχουν στρώσεις πάχους μόλις ενός ατόμου. Αυτή η μοναδική δομή τους προσδίδει ιδιαίτερες ιδιότητες, καθιστώντας τα πολλά υποσχόμενα για πληθώρα εφαρμογών: από μπαταρίες και αισθητήρες, μέχρι συστήματα ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης και στερεά λιπαντικά — ακόμα και για χρήση στο Διάστημα.
Η διαδικασία παραγωγής τους, μέχρι σήμερα, βασιζόταν στη χρήση εξαιρετικά τοξικού υδροφθορικού οξέος (HF) για την απομάκρυνση του αλουμινίου από τις λεγόμενες φάσεις MAX, δηλαδή τα αρχικά υλικά που αποτελούνται από στρώσεις αλουμινίου, τιτανίου και άνθρακα. Όπως εξήγησε ο Pierluigi Bilotto από το Ινστιτούτο Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Προϊόντων του TU Wien, το οξύ αυτό απομακρύνει το αλουμίνιο αφήνοντας πίσω μια δισδιάστατη, ελαστική δομή. Αυτή η δομή επιτρέπει στις στρώσεις να γλιστρούν εύκολα μεταξύ τους, χαρακτηριστικό που καθιστά τα MXenes εξαιρετικούς λιπαντές.
Όμως το υδροφθορικό οξύ, πέρα από την υψηλή του τοξικότητα, παράγει και απορρίμματα που είναι δύσκολο να διαχειριστούν. Αυτός είναι και ο βασικός λόγος που η χρήση των MXenes δεν έχει ακόμη επεκταθεί στη βιομηχανία, παρά το επιστημονικό ενδιαφέρον. «Είναι εξαιρετικά δύσκολο να χτιστεί μια διαδικασία τέτοιας επικινδυνότητας σε βιομηχανικό επίπεδο και πολλές εταιρείες είναι απολύτως δικαιολογημένες όταν διστάζουν να κάνουν το βήμα», δήλωσε ο Bilotto.
Απαντώντας σε αυτή την πρόκληση, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση, που συνδυάζει την ηλεκτροχημεία με ένα ασφαλέστερο μείγμα χημικών ουσιών: νιτρικό τετραφθοροβορικό νάτριο (NaBF₄) και υδροχλωρικό οξύ (HCl). Η καινοτομία, όμως, δεν σταματά εκεί. Αντί να χρησιμοποιηθεί συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα, εφαρμόστηκαν παλμοί καθοδικού ρεύματος — δηλαδή σύντομες, διακοπτόμενες εκφορτίσεις. Αυτοί οι παλμοί προκαλούν τη δημιουργία μικροσκοπικών φυσαλίδων υδρογόνου, οι οποίες διατηρούν ενεργή την επιφάνεια του υλικού, διευκολύνοντας την απομάκρυνση του αλουμινίου χωρίς να επηρεάζεται η υπόλοιπη δομή.
Η ηλεκτροχημεία μάς προσφέρει μια εναλλακτική διαδρομή για να “σπάσουμε” τους δεσμούς του αλουμινίου στη φάση MAX. Με την κατάλληλη επιλογή τάσης, μπορούμε να καθοδηγήσουμε την αντίδραση έτσι ώστε να αφαιρεθούν μόνο τα άτομα του αλουμινίου, αφήνοντας πίσω αυτό που ονομάζουμε ηλεκτροχημικά MXenes ή EC-MXenes.
Η νέα αυτή μέθοδος αποδείχθηκε εξαιρετικά αποτελεσματική. Το ποσοστό απόδοσης έφτασε το 60% σε έναν και μόνο κύκλο παραγωγής, χωρίς την εμφάνιση ανεπιθύμητων παραπροϊόντων. Το παραγόμενο υλικό εξετάστηκε με μια σειρά προηγμένων τεχνικών ανάλυσης — από ηλεκτρονικά μικροσκόπια (SEM/EDX) και φασματοσκοπία (XPS, LEIS, Raman) έως τεχνικές απεικόνισης νανοκλίμακας όπως AFM και TEM. Μέσω αυτών, επιβεβαιώθηκε η καθαρότητα, η δομή και τα φυσικά χαρακτηριστικά των EC-MXenes.
Το σημαντικότερο, σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι ότι η παλμική ηλεκτροχημική μέθοδος όχι μόνο αυξάνει την απόδοση αλλά και βελτιώνει την ποιότητα του υλικού, διατηρώντας την επιφάνειά του καθαρή και δραστική σε όλη τη διάρκεια της διαδικασίας.
Ο Bilotto εκφράζει τη φιλοδοξία του με χαρακτηριστικό τρόπο:
Ο στόχος μου είναι να κάνω τη σύνθεση των MXenes τόσο απλή, που να μπορεί να γίνει ακόμα και σε μια κουζίνα. Και πλέον βρισκόμαστε πολύ κοντά σε αυτό.
Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να σηματοδοτήσει ένα καθοριστικό βήμα προς τη μαζική αξιοποίηση των MXenes. Με ασφαλέστερη και αποδοτικότερη παραγωγή, τα «μαγικά υλικά» ίσως κατακτήσουν σύντομα θέσεις-κλειδιά σε τομείς όπως η ενέργεια, η ηλεκτρονική και η αεροδιαστημική.
