Việc chế tạo pin, cảm biến hóa học, thiết bị điện tử thường gặp vấn đề về vật liệu. Loại vật liệu sử dụng có thể hạn chế sự di chuyển của ion hay phân tử, hoặc độ bền của thiết bị. Các tấm MXenes phẳng hai chiều (2D), loại vật liệu nano dẫn điện, xếp chồng chặt chẽ lên nhau, cản trở sự tiếp cận của ion, làm giảm hiệu suất.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Drexel, Hoa Kỳ, phát triển một phương pháp mới, định hình lại MXenes thành cấu trúc dạng ống, gọi là tấm cuộn nano. Những tấm cuộn nano này mỏng hơn khoảng 100 lần so với tóc người và dẫn điện hiệu quả hơn các tấm phẳng.

MXenes được nghiên cứu hơn 10 năm nay vì tính dẫn điện và tính linh hoạt hóa học của chúng. Việc sản xuất cấu trúc MXene một chiều (1D) cho đến nay vẫn là một thách thức. Theo các nhà nghiên cứu, hình dạng vật liệu đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất. Các tấm phẳng hoạt động tốt trong nhiều ứng dụng, nhưng dạng 1D có ưu thế khi cần vận chuyển nhanh hoặc gia cường.

Bằng cách cuộn các mảnh MXene thành dạng ống, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc rỗng, cho phép các ion di chuyển tự do hơn. Các ống này cũng có thể gia cường cho polymer hoặc kim loại, trong khi vẫn duy trì tính dẫn điện.

Quy trình bắt đầu với các mảnh MXene nhiều lớp. Các nhà nghiên cứu điều chỉnh môi trường hóa học bằng nước để thay đổi thành phần hóa học bề mặt. Điều này tạo ra sự mất cân bằng cấu trúc, gọi là phản ứng Janus. Áp lực bên trong tạo ra, khiến các lớp tách rời và cuộn lại thành các cuộn.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này trên sáu loại MXene, gồm titanium carbide, niobium carbide, vanadium carbide, tantalum carbide và titanium carbonitride. Mỗi phương pháp đều cho kết quả nhất quán.

Các nhà nghiên cứu báo cáo đã sản xuất được tới 10 gram các cuộn nano với hình dạng và thành phần được kiểm soát tốt. Các phương pháp trước đây thường dẫn đến các cấu trúc không đều hoặc bị hư hỏng.

MXene dạng ống tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn so với các tấm MXene xếp chồng lên nhau. Điều này tăng khả năng tiếp cận cho các ion và phân tử, yếu tố rất quan trọng đối với pin và cảm biến hóa học. Trong cấu trúc 2D xếp chồng, vị trí hấp phụ phân tử thường bị che khuất giữa các lớp. Cấu trúc cuộn tháo gỡ vấn đề này bằng cách cho phép các chất phân tích tiếp cận bề mặt MXene.

Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn trong các màng được làm từ các cuộn nano niobium carbide. Họ dự định sẽ tiếp tục nghiên cứu các cơ chế đằng sau hành vi này. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials.