Ein internationales Team um Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht: An der BESSY II-Röntgenquelle untersuchten sie sogenannte MXene, eine Klasse von zweidimensionalen Materialien, in denen Wasser und Ionen eingeschlossen sind. Die Forschenden fanden heraus, dass sich das eingeschlossene Wasser bei steigender Temperatur verändert. Es geht von lokalisierten Eisclustern in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Dieser strukturelle Wandel löst einen reversiblen Phasenübergang im MXene aus: Es wechselt vom Zustand eines Metalls zu dem eines Halbleiters. Diese Entdeckung könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente und Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.
Die Studie bestätigt, dass Wasser, wenn es in nur zwei Dimensionen gezwungen wird, völlig neue und unerwartete Eigenschaften entwickeln kann. MXene, die aus Schichten von Übergangsmetallcarbiden und -nitriden bestehen, sind ideal für die Untersuchung solcher Phänomene, da sie leicht Wasser absorbieren und es in extrem dünnen Filmen zwischen ihren Schichten einschließen.
Reversibler Übergang: Wie Wasser MXene vom Metall zum Halbleiter macht
Ein Forschungsteam um Dr. Tristan Petit vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Yury Gogotsi von der Drexel University in den USA hat am BESSY II verschiedene MXene-Proben untersucht, die Wasser und Ionen eingeschlossen haben. Mithilfe von Röntgenstrukturanalysen bei sinkenden Temperaturen beobachteten sie, wie sich im eingeschlossenen Wasser amorphe Eisklumpen bilden. Diese Klumpen vergrößern den Abstand zwischen den MXene-Schichten. Dadurch wechselt der zuvor metallische MXene-Film seinen Zustand und wird zu einem Halbleiter. „Bei Erwärmung über 300 K lösen sich die Cluster wieder auf, wodurch der Abstand zwischen den Schichten und ihr metallisches Verhalten wiederhergestellt werden“, sagt Petit. Dieser Metall-Halbleiter-Übergang ist also reversibel, solange die Wasserschicht nicht entfernt wird. Weitere Röntgenuntersuchungen mit verschiedenen Techniken deckten noch mehr interessante Eigenschaften der Wasser-Wasserstoff-Bindungsnetzwerke auf.
„Im nächsten Schritt benötigen wir computergestützte Modellierungen, um die Bildung von amorphem Eis und dessen Auswirkungen auf den Elektronentransport besser zu verstehen“, sagt Katherine Mazzio, Co-Erstautorin der Studie. Sie kommt zu dem Schluss, dass MXene sich ideal eignen, um Phasenübergänge von Wasser im Nanobereich zu untersuchen. Diese Erkenntnisse könnten neue Einblicke in das Verhalten von Wasser liefern.
MXene werden bereits als vielversprechende Materialien für Energiespeicherung und Katalyse diskutiert. Die Rolle, die eingeschlossenes Wasser bei den einzigartigen Eigenschaften von MXene für diese Anwendungen spielt, ist daher ein spannendes Forschungsfeld für die Zukunft.
Quelle
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (08/2025)
Publikation
Nature communications (2025): Conductivity Hysteresis in MXene Driven by Structural Dynamics of Nanoconfined Water
Teng Zhang, Katherine A. Mazzio, Ruocun (John) Wang, Mailis Lounasvuori, Ameer Al Temimy, Faidra Amargianou, Mohamad-Assaad Mawass, Florian Kronast, Daniel M. Többens, Klaus Lips, Tristan Petit & Yury Gogotsi
DOI: 10.1038/s41467-025-62892-7
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62892-7