2D 전이금속 탄화물/질화물의 가장 큰 계열인 MXenes는, 예외적으로 매혹적인 특성들로 인해 다양한 응용 분야에서 유망한 재료로 부상해 왔다. 본 연구에서는 MXenes의 플라즈모닉 응용 가능성을 조사하였으며, 특히 표면증강 라만 산란(SERS)과 광대역 광검출에 초점을 맞추었다. 본 연구는 MXene의 준 단일층 이하 커버리지에서 나타나는 에지(edge) 플라즈몬을 기반으로 한 빛-물질 상호작용의 더 넓은 범위를 탐색했는데, 기존 연구들은 주로 수십 나노미터를 초과하는 두께에 집중해 왔다. 또한 MXenes를 3D 트렌치(trench) 나노구조에 도입함으로써 에지 플라즈몬의 발현을 증대시켜 이들의 플라즈모닉 특성을 극대화하고, 그 결과 광 증폭을 강화하고자 하였다. 제작된 광전자 소자는 SERS 검출에서 현저한 감도를 보이며, 목표 염료 분자에 대해 검출 한계를 ≈0.1 n m까지 달성하여, 비금속 기반 검출에 대한 일반적인 임계치보다 유의하게 우수하였다. 더불어 향상 인자(enhancement factor)는 시판되는 Au 기반 SERS 기판보다도 크다. 한편 MXene 기반 광검출기는 특히 근적외선(NIR) 파장 대역을 향하여 경쟁력 있는 광반응도(photoresponsivity)와 응답 시간을 보였는데, 이는 MXene 기반 광검출기로는 달성하기 어려운 영역이다. 전기장 계산을 포함한 포괄적 분석을 통해 관찰된 향상을 유도하는 메커니즘을 규명했으며, 주로 에지 플라즈몬에 기인한다고 보고한다.

MXenes 논문 2405341에서 Min Seok Jang, Chi Won Ahn, Yonghee Lee 및 공저자들은 2D MXene의 플라즈모닉 증강에 대해 연구하며, 특히 포토닉스 응용을 위한 가능성을 중점적으로 다룬다. 본 이미지는 3D 트렌치 나노구조 위에 MXene을 통합하여, 단일층 미만의 두께에서도 상당한 빛-물질 상호작용을 구현하는 혁신적 사용을 보여준다. 이러한 상호작용은 현저한 빛 증폭으로 이어져 구조의 광학적 특성을 크게 향상시킨다. 생동감 있는 색채와 상세한 그래픽은 독자의 관심을 끌고, 연구 결과의 중요성을 효과적으로 전달하고자 의도되었다.

확산 장벽이 더 높아짐에 따른 이동성 감소와 함께 국소 pH가 증가한다. 전기화학적 에너지 저장 동역학은 패러데이 반응에 의한 화학적 양성자화(삽입)에서 비패러데이(non-Faradaic) 물리적 흡착으로 전이된다. 우리는 에너지 저장 동역학의 이동에 따른 정전용량 변화 현상을 변형(strain) 감지 목적에 활용한다. 개발된 고도 감도 Pseudocapacitive Sensors는 약 1200에 이르는 현저한 게이지 인자(GF)를 가지며, 이는 기존의 변형 센서(정전형 캐패시터 기반 센서의 경우 GF: ~ 1)보다 훨씬 뛰어나다. Pseudocapacitive Sensor의 도입은 의사정전용량(pseudocapacitance)이 에너지 소자에만 국한되던 영역에서 다기능 전자기기의 영역으로 확장되는 패러다임 전환을 의미한다. 이러한 기술적 도약은 MXenes의 의사정전용량 메커니즘에 대한 이해를 풍부하게 하며, 첨단 로봇공학, 이식형 생의학 기기, 건강 모니터링 시스템을 포함한 최첨단 기술 분야에서의 혁신을 촉진할 것이다.

덩어리상 M n+1 AX n (n = 1, 2, 3 또는 4) 상에서 얻은 2D 전이금속 탄화물(MXene)은 배터리, 축전형 에너지 저장, 전기촉매 등 유망한 응용을 위한 독특한 물리화학적 특성을 지닌 결정성 고체의 흥미로운 계열이다. 기술적 응용을 위해 반드시 극복해야 할 장애물 중 하나는 수성 조건에서 박리된 MXene 플레이크가 시간이 지남에 따라 상전이 및/또는 구조 분해를 겪는다는 점이다. 본 연구에서는 박리된 MXene(Ti 3 C 2 T x )의 취약한 가장자리를 헤테로고리 방향족 아민으로 패시베이션함으로써 안정성을 향상시키는 간단하면서도 강력한 전략을 보고한다. 특히, 피롤 기능화된 MXene은 실온의 수용액에서 700일 이상, 70 °C에서 42일 이상, 그리고 강한 산화제(H 2 O 2 , 9.70 mmol) 존재 하에서도 50일 이상 항산화성을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 반면, 제조 직후의 MXene 용액은 실온에서 한 달 이내에 색이 소실되었고, 70 °C에서는 하루 이내였으며, H 2 O 2 (9.70 mmol)가 존재하는 조건에서는 5분 이내에 변색되었다. 밀도범함수이론 계산 결과, MXene과 피롤 간의 화학적 상호작용은 매우 강하며 TiC 결합의 형성을 포함하는 것으로 나타났다. 또한 피롤 기능화된 MXene은 슈퍼커패시터로서 원시(pristine) MXene보다 더 높은 전기화학적 성능을 보였다.

2D 전이금속 탄화물/질화물의 가장 큰 계열인 MXenes는, 예외적으로 매혹적인 특성들로 인해 다양한 응용 분야에서 유망한 재료로 부상해 왔다. 본 연구에서는 MXenes의 플라즈모닉 응용 가능성을 조사하였으며, 특히 표면증강 라만 산란(SERS)과 광대역 광검출에 초점을 맞추었다. 본 연구는 MXene의 준 단일층 이하 커버리지에서 나타나는 에지(edge) 플라즈몬을 기반으로 한 빛-물질 상호작용의 더 넓은 범위를 탐색했는데, 기존 연구들은 주로 수십 나노미터를 초과하는 두께에 집중해 왔다. 또한 MXenes를 3D 트렌치(trench) 나노구조에 도입함으로써 에지 플라즈몬의 발현을 증대시켜 이들의 플라즈모닉 특성을 극대화하고, 그 결과 광 증폭을 강화하고자 하였다. 제작된 광전자 소자는 SERS 검출에서 현저한 감도를 보이며, 목표 염료 분자에 대해 검출 한계를 ≈0.1 n m까지 달성하여, 비금속 기반 검출에 대한 일반적인 임계치보다 유의하게 우수하였다. 더불어 향상 인자(enhancement factor)는 시판되는 Au 기반 SERS 기판보다도 크다. 한편 MXene 기반 광검출기는 특히 근적외선(NIR) 파장 대역을 향하여 경쟁력 있는 광반응도(photoresponsivity)와 응답 시간을 보였는데, 이는 MXene 기반 광검출기로는 달성하기 어려운 영역이다. 전기장 계산을 포함한 포괄적 분석을 통해 관찰된 향상을 유도하는 메커니즘을 규명했으며, 주로 에지 플라즈몬에 기인한다고 보고한다.

MXenes 논문 2405341에서 Min Seok Jang, Chi Won Ahn, Yonghee Lee 및 공저자들은 2D MXene의 플라즈모닉 증강에 대해 연구하며, 특히 포토닉스 응용을 위한 가능성을 중점적으로 다룬다. 본 이미지는 3D 트렌치 나노구조 위에 MXene을 통합하여, 단일층 미만의 두께에서도 상당한 빛-물질 상호작용을 구현하는 혁신적 사용을 보여준다. 이러한 상호작용은 현저한 빛 증폭으로 이어져 구조의 광학적 특성을 크게 향상시킨다. 생동감 있는 색채와 상세한 그래픽은 독자의 관심을 끌고, 연구 결과의 중요성을 효과적으로 전달하고자 의도되었다.

확산 장벽이 더 높아짐에 따른 이동성 감소와 함께 국소 pH가 증가한다. 전기화학적 에너지 저장 동역학은 패러데이 반응에 의한 화학적 양성자화(삽입)에서 비패러데이(non-Faradaic) 물리적 흡착으로 전이된다. 우리는 에너지 저장 동역학의 이동에 따른 정전용량 변화 현상을 변형(strain) 감지 목적에 활용한다. 개발된 고도 감도 Pseudocapacitive Sensors는 약 1200에 이르는 현저한 게이지 인자(GF)를 가지며, 이는 기존의 변형 센서(정전형 캐패시터 기반 센서의 경우 GF: ~ 1)보다 훨씬 뛰어나다. Pseudocapacitive Sensor의 도입은 의사정전용량(pseudocapacitance)이 에너지 소자에만 국한되던 영역에서 다기능 전자기기의 영역으로 확장되는 패러다임 전환을 의미한다. 이러한 기술적 도약은 MXenes의 의사정전용량 메커니즘에 대한 이해를 풍부하게 하며, 첨단 로봇공학, 이식형 생의학 기기, 건강 모니터링 시스템을 포함한 최첨단 기술 분야에서의 혁신을 촉진할 것이다.

덩어리상 M n+1 AX n (n = 1, 2, 3 또는 4) 상에서 얻은 2D 전이금속 탄화물(MXene)은 배터리, 축전형 에너지 저장, 전기촉매 등 유망한 응용을 위한 독특한 물리화학적 특성을 지닌 결정성 고체의 흥미로운 계열이다. 기술적 응용을 위해 반드시 극복해야 할 장애물 중 하나는 수성 조건에서 박리된 MXene 플레이크가 시간이 지남에 따라 상전이 및/또는 구조 분해를 겪는다는 점이다. 본 연구에서는 박리된 MXene(Ti 3 C 2 T x )의 취약한 가장자리를 헤테로고리 방향족 아민으로 패시베이션함으로써 안정성을 향상시키는 간단하면서도 강력한 전략을 보고한다. 특히, 피롤 기능화된 MXene은 실온의 수용액에서 700일 이상, 70 °C에서 42일 이상, 그리고 강한 산화제(H 2 O 2 , 9.70 mmol) 존재 하에서도 50일 이상 항산화성을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 반면, 제조 직후의 MXene 용액은 실온에서 한 달 이내에 색이 소실되었고, 70 °C에서는 하루 이내였으며, H 2 O 2 (9.70 mmol)가 존재하는 조건에서는 5분 이내에 변색되었다. 밀도범함수이론 계산 결과, MXene과 피롤 간의 화학적 상호작용은 매우 강하며 TiC 결합의 형성을 포함하는 것으로 나타났다. 또한 피롤 기능화된 MXene은 슈퍼커패시터로서 원시(pristine) MXene보다 더 높은 전기화학적 성능을 보였다.

초안정성 MXene 논문 번호 2203296에서 Yonghee Lee, Chi Won Ahn, Mu-Hyun Baik 및 동료 연구진은 수중 환경에서 장기간 안정성을 유지하는 티타늄 카바이드 MXene(Ti3C2Tx) 상(phase)을 보존하기 위한 간단하면서도 강력한 전략을 제시한다. 피롤(pyrrole) 기능화된 MXene은 실온에서 700일 이상, 70 °C에서 42일 동안, 그리고 강력한 산화제(H2O2) 조건에서도 50일 이상 항산화 작용을 촉진하는 것으로 확인되었다.

기능성 재료에 키랄리티(chirality)를 통합하면 이진 점등(켜기/끄기)을 넘어 빛-물질 상호작용을 제어할 수 있다. 기존의 포토액추에이터(photoactuator)는 이진 변조에 의존하므로 단방향 운동에 한정된다. 이에 반해, 우리는 원편광 원(CPL, circularly polarized light)의 키랄성(handedness)에 의해 구동 방향을 부호화하는 3진(ternary) 광학 논리 패러다임을 도입한다. 여기서 분자 키랄리티와 기계적 구동을 연결하는 키랄 Ti${}_3$C${}_2$T${}_x$ MXene 플랫폼을 구축한다. 페닐알라닌(phenylalanine) 에난티오머(enantiomer)는 키랄 나노페인팅(chiral nanopainting)을 통해 MXene 나노플레이크(nanoflake) 위에 공유결합으로 고정한다. 2차원 구속(confinement)은 리간드를 수직으로 정렬된 초분자(supramolecular) 네트워크로 강제한다. 층간 간격 분석과 시뮬레이션은 이러한 초분자 네트워크가 자외선부터 근적외선까지 이례적으로 넓은 대역의 원편광 이색성(circular dichroism, CD)을 가능하게 함을 뒷받침한다. 이러한 초분자 키랄리티는 MXene의 플라즈모닉(plasmonic) 특성과 시너지 효과를 발휘하여 손잡이(좌/우)에 따른 광열 변환을 유도하며, 매칭된 CPL과 불일치한 CPL 사이에 30%의 온도 상승 차이를 보인다. 이 키랄 MXene을 열반응성 하이드로젤(thermoresponsive hydrogels)에 내재화함으로써, 우리의 지식에 따르면, LCP/RCP/off를 3진 입력으로 사용하여 광열 메커니즘에 기반한 다방향 변형을 프로그래밍하는 최초의 CPL 구동 연성 액추에이터(soft actuator)를 구현한다. 분자-거대 규모 번역(molecular-to-macroscopic translation)은 키랄리티가 부호화된 연성 로보틱스(soft robotics)와 적응형 광자공학(adaptive photonics)을 위한 새로운 패러다임을 제시한다.

Ti3C2Tz를 기반으로 하는 2차원 탄화티타늄 소재 계열인 MXenes는, 탁월한 특성으로 인해 박막 기반 응용을 위한 유망한 소재로 부상하고 있다. 그러나 치밀하게 적층된 구조는 이온 확산, 금속 이온 이동성, 그리고 나노스케일 입자 전달을 저해하여 에너지 관련 응용 분야에서의 잠재력을 제한한다. 이러한 한계를 극복하고 MXene 성능을 최적화하기 위해서는 적층 간격을 확장하고 제어하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 치밀한 MXene 구조에 은 나노입자(AgNPs, 20 및 55 nm 크기)를 통합하여 경로를 제어하고 확장하였다. X-ray diffraction은 원래(pristine) MXene의 층상(lamellar) 구조를 확인하였고, 전자현미경 및 소각 중성자 산란(small-angle neutron scattering)을 이용한 정밀 분석을 통해 AgNPs의 크기와 농도가 경로 확장에 직접적인 영향을 미침을 보여주었다. 적층 간격은 AgNPs 매개변수 변화에 따라 2.4 nm에서 ∼25 nm로 유의미하게 증가하였다. 전기화학적 임피던스 분광법 결과, 원래 MXene의 치밀하게 포장된 구조는 배터리에서 애노드 전류집전체 코팅으로 사용하기에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 반면 MXene/AgNP 복합체는 확장된 경로에 의해 이온 전달과 전도도가 향상되어 효과적인 기능을 나타냈다. 이러한 결과는 경로 공학(pathway engineering)의 중요성과, 에너지 저장 및 기타 기능성 응용을 위한 MXene 기반 소재의 발전에서 첨가제 삽입(additive insertion) 방법의 활용이 필요함을 강조한다.