06.09.2021

Flach oder gewellt

Mxene lassen sich per Laserpuls zwischen unterschiedlichen Formen hin- und herschalten.

Das Verfahren der ultraschnellen Laser­spektroskopie ermöglicht die Beobachtung der Bewegung von Atomen auf ihren natürlichen Zeitskalen im Bereich von Femtosekunden. Die Elektronen­mikroskopie hingegen bietet eine atomare räumliche Auflösung. Durch die Kombination von Elektronen und Photonen in einem Instrument hat die Arbeitsgruppe von Peter Baum an der Universität Konstanz einige der schnellsten Elektronen­mikroskope entwickelt, um einen detaillierten Einblick in Materialien und ihre dynamischen Eigenschaften zu erhalten – mit höchster räumlicher und zeitlicher Auflösung.

 

Abb.: Ultraschnelle Elektronenbeugung macht per Licht schaltbare Nanowellen in...
Abb.: Ultraschnelle Elektronenbeugung macht per Licht schaltbare Nanowellen in MXene-Schichten sichtbar. (Bild: M. Volkov)

In ihrer aktuellen Veröffentlichung haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Baum diese Technik zusammen mit Forschern der ETH Zürich zur Untersuchung neuartiger Materialien – zwei­dimensionale, molekular definierte Schichten, die MXene genannt werden – eingesetzt und dabei eine überraschende Entdeckung gemacht: MXene können mithilfe von Laserpulsen wiederholt zwischen einer flachen und einer gewellten Form hin- und hergeschaltet werden. Dies eröffnet ein breites Spektrum möglicher Anwendungen.

MXene sind zweidimensionale Materialien aus Übergangs­metall­carbiden oder –nitriden, die aus nur wenige Atome messenden Schichten bestehen. „Dadurch ähneln MXene in der einen räumlichen Dimension einem Molekül, in den anderen zwei hingegen einem ausgedehnten Festkörper“, verdeutlicht Mikhail Volkov, Erstautor der aktuellen Studie, den Aufbau der Materialien. Hergestellt werden MXene per Exfoliation durch Ablösung der dünnen Material­schichten von einem Vorläufer­material.

Im Gegensatz zu den meisten anderen einschichtigen Materialien lassen sich MXene dank der Entdeckung einer skalierbaren und irreversiblen chemischen Exfoliations­methode leicht in großen Mengen herstellen. Durch die Wahl des Übergangsmetalls können außerdem über einen breiten Bereich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der MXene bestimmt werden. Dies führt zu verschiedensten Anwendungen für MXene in Einsatzbereichen wie Sensorik, Energie­speicherung oder Lichtsammlung und als antibakterielles Material.

In ihrer Studie haben die Projektleiter Mikhail Volkov von der Universität Konstanz und Elena Willinger von der ETH Zürich nun einen neuen Weg gefunden, um die Eigenschaften von MXenen durch die Bestrahlung mit schnellen Lichtpulsen zu verbessern. Mittels ultraschneller Elektronenmikroskopie mit atomarer räumlicher Auflösung nahmen sie einen Film auf, in dem MXene mit Femto­sekunden-Laserpulsen wechselwirken. Sie konnten zeigen, dass die Laserenergie in einer Rekordzeit von gerade einmal 230 Femtosekunden auf das Atomgitter der MXene übertragen wird.

Unerwarteterweise fanden die Wissenschaftler außerdem heraus, dass Femto­sekunden-Laserlicht genutzt werden kann, um zwischen der ursprünglich flachen Oberflächenstruktur des MXenes und einer Nanowellen-Form des Materials hin und her zu wechseln – einer „Berg-und-Tal-Nanolandschaft“ mit einer Periodizität, die mehr als fünfzigmal kürzer ist als die Wellenlänge des verwendeten Lasers. „Wir können die Ausrichtung der Nanowellen mit der Polarisation des Lasers steuern, was bedeutet, dass das Material ein optisches Gedächtnis auf der Nanoskala besitzt. Hinzu kommt, dass sich das gewellte MXene, wenn ein erneuter Laserstrahl auf das Material trifft, wieder in seine flache Form umwandelt und während der Bestrahlung flach bleibt. Die extrem kleine Größe der einzelnen Nanowellen und die schnelle Gitterreaktion sind ebenfalls recht unerwartet, und wahrscheinlich ist hier ein physikalisches Phänomen beteiligt, das wir als Plasmon-Phonon-Kopplung bezeichnen“, erklärt Volkov.

„Die Nanostrukturierung in Form von Wellen erhöht außerdem das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Materialien und macht sie dadurch chemisch reaktionsfähiger. Zusätzlich werden die lokalen elektromagnetischen Felder verstärkt, was die Kopplung mit Licht verbessert – eine wertvolle Eigenschaft für Sensor­anwendungen“, so Volkov. Die Wissenschaftler erwarten daher, dass die entdeckten, im Nanometer­bereich gewellten MXene eine verbesserte Energiespeicherkapazität sowie eine erhöhte katalytische oder antibiotische Aktivität aufweisen. „Zu guter Letzt eröffnet die Eigenschaft der MXene, dass sich ihre Struktur bei Bedarf durch einen Laserpuls zwischen eben und gewellt umschalten lässt, faszinierende Möglichkeiten für den Einsatz der Materialien in aktiven plasmonischen, chemischen und elektrischen Geräten“, schließt Volkov.

U. Konstanz / DE

 

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