Mithilfe künstlicher Intelligenz haben Forscher der Universität Linköping in Schweden bisher übersehene Vorkommen der 2D-Materialien MXene in älteren Datenbanken entdeckt. Die Ergebnisse haben die Forscher dazu inspiriert, neue Materialien mit nachhaltigeren Synthesemethoden als bisher zu entwickeln. Die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für MXene, bei denen Magnetismus eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise in den Bereichen Energie und Datenspeicherung.
Johanna Rosén, Professorin für Materialphysik an der Universität Linköping.
Jenny Widén
„Wir müssen sowohl zurück als auch nach vorne blicken, um die Materialwissenschaft voranzutreiben. Es gibt so viele Informationen in der Fachliteratur, die uns nicht bekannt sind. Wir als Forscher erfinden manchmal das Rad neu und behaupten, große Entdeckungen gemacht zu haben – doch dann stellt sich heraus, dass diese bereits in Deutschland gemacht wurden, zum Beispiel in den 1970er Jahren“, sagt Johanna Rosén, Professorin für Materialphysik an der Universität Linköping (LiU).
Ihre Forschungsgruppe hat gemeinsam mit Kollegen aus Estland und Finnland mithilfe von KI Materialdatenbanken durchsucht und bereits entwickelte MXene identifiziert, die der Forschungsgemeinschaft bisher nicht bekannt waren.
MXenes sind eine Materialfamilie, die erst 2011 entdeckt wurde. Grundlegende MXenes bestehen aus einem Metall in Kombination mit entweder Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen. Das Wichtigste ist jedoch ihre Struktur – MXenes bestehen aus nur wenigen Atomschichten, was im Verhältnis zum Gewicht eine extrem große Oberfläche ergibt.
Insgesamt konnten die Forscher 33 bereits existierende MXene identifizieren. Inspiriert von ihren Erkenntnissen haben sie zudem 11 neue MXene entwickelt. Johanna Rosén erklärt, dass das Projekt von den beteiligten Forschern inoffiziell als „Treasure Chest Project“ (Schatzkisten-Projekt) bezeichnet wurde.
„Die Fachliteratur und die Datenbanken sind wahre Schatzkammern – man muss nur den Deckel öffnen und schauen, was sich darin verbirgt.“
MXene lassen sich übereinander schichten, und ein nur wenige Millimeter dicker Film kann mehrere Millionen Schichten des Materials enthalten. Zwischen den Schichten können viele verschiedene chemische Reaktionen stattfinden, die von der Zusammensetzung der MXene abhängen. Dies verleiht den Materialien Eigenschaften, die sich beispielsweise für die Wasseraufbereitung, Energiespeicherung, Telekommunikation, Biomedizin und andere Bereiche eignen könnten, die die Forscher noch nicht untersucht haben.
„MXene können eine Vielzahl nützlicher Eigenschaften aufweisen, von denen viele potenzielle Anwendungen im Bereich der Nachhaltigkeit bieten. Die Entdeckung neuer Zusammensetzungen gibt uns die Möglichkeit, noch mehr Einsatzmöglichkeiten für diese Materialien zu erkunden“, sagt Ali Saffar Shamshirgar, Forscher an der LiU und Erstautor des in „Science“ veröffentlichten Artikels.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse der aktuellen Studie betrifft neben den neuen Materialien auch die Herstellungsverfahren. Dem Forschungsteam ist es gelungen, die MXenes auf völlig neue Weise ohne externe Erwärmung in nur wenigen Sekunden herzustellen. Das neue Verfahren erfordert im Vergleich zu bisher deutlich weniger gefährliche Chemikalien und weniger Wasser. Laut Johanna Rosén tut sich auf der Forschungsfront viel, was die Synthese von MXenen angeht, was bedeutet, dass die Herstellung in größerem Maßstab erfolgen kann.
„Ich glaube, dass gerade diese Ausweitung der Produktion den entscheidenden Anstoß geben wird, damit MXene tatsächlich in verschiedenen Anwendungsbereichen deutlich häufiger zum Einsatz kommen.“
Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass Seltenerdmetalle die Metalle in den MXenes ersetzen können, was bedeutet, dass diese auch magnetisch werden können und sich ihre Anwendungsmöglichkeiten somit weiter erweitern.