Jaký je potenciál MXenes monovrstvy M4C3 (M = Nb, Ta) v oblasti optických a elektrických vlastností?

MXeny jsou fascinujícím příkladem dvouvrstvých materiálů, které přitahují rostoucí pozornost díky své široké škále aplikací v různých vědeckých oblastech. Tato třída materiálů se poprvé objevila v roce 2011 a od té doby prošla rychlým vývojem, což je dáno jejich unikátními vlastnostmi, které kombinují metalickou vodivost a hydrofilní charakter. Jako kompozitní materiály skládající se z kovových a ne-kovových vrstev (například C nebo N atomů mezi vrstvami přechodných kovů) vykazují MXeny vynikající fyzikální vlastnosti. Mezi nejdůležitější patří jejich schopnost vykazovat vysokou vodivost a zároveň interagovat s vodou a dalšími molekulami, což z nich činí ideální materiály pro elektrochemické aplikace, biosenzory, čištění vody a ukládání energie. V poslední době však stále více pozornosti věnované jejich optickým vlastnostem, což se ukazuje jako klíčové pro aplikace, jako je solární energie, fototerapie a bioimaging.

Základní strukturální, elektronické a optické vlastnosti MXenes, jako jsou M4C3 (M = Nb, Ta), byly zkoumány pomocí výpočtů na základě hustotní funkcionální teorie (DFT), což umožnilo hlubší pochopení jejich chování při interakci s fotony. Tento materiál vykazuje pozoruhodné optické vlastnosti, které se ukazují jako užitečné v aplikacích, kde je potřeba efektivně zachycovat a přeměňovat světlo na teplo, například ve fototermální terapii (PTT) spojené s diagnostikou pomocí fotoakustické zobrazovací techniky (PAI).

Struktura a stabilita M4C3 MXenes

Monovrstvy M4C3, ať už s Nb nebo Ta jako přechodným kovem, mají stabilní strukturu, což bylo ověřeno pomocí negativních hodnot energie tvorby. Tyto materiály mají optimální geometrii, ve které jsou atomy Nb a Ta uspořádány do čtvercové mřížky a uhlíkové atomy jsou umístěny mezi nimi. Tato uspořádání jsou velmi stabilní z hlediska energie a v případě M4C3 monovrstvy byly zjištěny hodnoty kohezivní energie, které se pohybují v rozmezí −0,328 eV/atom pro Nb4C3 a −0,347 eV/atom pro Ta4C3, což je potvrzením jejich mechanické stability.

Důležitým aspektem těchto materiálů je i jejich schopnost odolávat dynamickým deformacím, což činí M4C3 MXenes vhodnými pro různé aplikace, které vyžadují materiály odolné vůči externím stresům, například v elektrochemických článcích a senzorech.

Elektronické a optické vlastnosti

Z hlediska elektronických vlastností jsou monovrstvy M4C3 (M = Nb, Ta) charakterizovány negativním pásmem vodivosti, což naznačuje jejich schopnost vést elektrický proud. Jejich pásová struktura, jak naznačují výpočty na základě DFT, vykazuje významné rozdíly mezi různými přechodnými kovy, což může ovlivnit jejich elektrickou vodivost a kompatibilitu s konkrétními aplikacemi. V případě MXenes založených na Nb a Ta byly zjištěny rozdílné hodnoty šířky zakázaného pásu, což naznačuje jejich potenciál pro aplikace v optoelektronice, včetně fotovoltaiky.

Optické vlastnosti těchto monovrstev jsou rovněž velmi slibné. Výzkum ukázal, že MXeny M4C3 vykazují významné schopnosti absorpce a emisí světla v širší oblasti spektra, což je činí ideálními pro aplikace, jako je fototermální léčba nebo využívání slunečního záření pro efektivní výrobu energie. Absorpční spektra MXenes ukázala, že tyto materiály mají silnou absorpci v biologických oknech, což znamená, že mohou pronikat do hlubších vrstev tkání, což je kladné pro použití v medicínských aplikacích, jako je fototerapie rakoviny.

Potenciál v oblasti biomedicíny a fotovoltaiky

MXeny, zejména monovrstvy typu M4C3, mají široký potenciál pro použití v biomedicínských aplikacích. Jejich schopnost absorbovat světlo ve druhém biologickém okně činí tyto materiály obzvláště vhodnými pro fototermální terapii, která využívá teplo generované absorpcí světla k ničení rakovinných buněk. Studie ukazují, že kombinace fototerapie a fotodynamické terapie s využitím MXenes může představovat slibnou metodu léčby rakoviny.

MXeny M4C3 mohou také sloužit jako vysoce účinné elektrody v zařízeních pro ukládání energie, jako jsou baterie a superkondenzátory, díky jejich vysoké vodivosti a stabilitě.

Je tedy důležité mít na paměti, že výzkum v oblasti MXenes není omezen pouze na jejich teoretické zkoumání, ale také na experimentální ověřování těchto vlastností v praxi. Výpočty na základě DFT poskytují cenné nástroje pro pochopení základních principů chování těchto materiálů, ale skutečné aplikace budou vyžadovat pečlivé experimentální ověření a optimalizaci.

Jakým způsobem mohou 2D materiály přetvořit vývoj anodových materiálů pro lithium-iontové baterie?

Grafit byl historicky preferovaným materiálem pro anody v LIBs díky své relativně nízké ceně, dostupnosti, vysoké energetické hustotě a dlouhé životnosti. Přestože nabízí dobrý výkon, je pro současné aplikace, zejména v oblasti elektromobilů a velkokapacitních úložišť, omezený. Kapacita grafitu pro uchovávání lithia je totiž konečná, což omezuje jeho schopnost zvládat rostoucí nároky na výkon a rychlost nabíjení. I když výzkum ukazuje, že některé vlastnosti grafitu mohou být vylepšeny, pro široké využití je nezbytné najít nové materiály, které budou efektivnější, bezpečnější a stabilnější.

V tomto kontextu se stále více zaměřujeme na 2D materiály, konkrétně na materiály, jako je grafen, které byly objeveny v roce 2004. Tyto materiály, ačkoliv zpočátku přitahovaly pozornost především v oblasti elektroniky, dnes ukazují obrovský potenciál i v oblasti ukládání energie. Výhodou 2D materiálů je jejich neuvěřitelně tenká struktura, která umožňuje zlepšení elektrochemických vlastností, jako je vysoká kapacita, rychlost nabíjení a dlouhá životnost cyklu. V porovnání s tradičními materiály jsou 2D materiály schopny nabídnout větší povrchovou plochu pro interakci s ionty lithia, což znamená, že mohou pojmout více lithia a tedy poskytovat vyšší energetickou hustotu.

Nad rámec materiálového výzkumu je rovněž důležité zohlednit širší kontext vývoje baterií, který zahrnuje otázky spojené s bezpečností a environmentálními dopady výroby a likvidace baterií. Zatímco 2D materiály mohou přinést výrazná vylepšení v oblasti kapacity a životnosti, stále je nutné najít způsoby, jak tyto materiály vyrábět v dostatečně velkém měřítku, aby jejich použití mělo ekonomický smysl. Výroba některých pokročilých 2D materiálů může být stále nákladná a technologicky náročná, což může zpomalit jejich širší nasazení v komerčních aplikacích.

V neposlední řadě je rovněž nutné brát v úvahu etické otázky spojené s využíváním nových technologií v energetickém sektoru. Jakékoli inovace, zejména ty, které mají potenciál zásadně změnit energetickou krajinu, nesou určité riziko. K tomu je zapotřebí, aby výzkum a implementace těchto technologií byly prováděny zodpovědně, s ohledem na bezpečnost a udržitelnost, a aby bylo možné minimalizovat negativní dopady na životní prostředí.

Jak blockchain vyřeší problémy s ochranou osobních údajů a jaké bezpečnostní hrozby s ním souvisejí?

Vlastnost nezměnitelnosti blockchainu je klíčová pro jeho bezpečnostní rámec. Tato vlastnost zajišťuje integritu dat a důvěru mezi účastníky blockchainové sítě, neboť jakákoliv změna nebo zásah do záznamů by vyžadoval nové výpočty pro všechny následné bloky. Tato kaskádová povaha systému znamená, že jakákoliv manipulace s historickými daty je technicky obtížná a okamžitě odhalena všemi uzly v síti. Tímto způsobem blockchain zaručuje, že úpravy provedené zlovolným aktérem jsou včas detekovány a eliminovány, což posiluje důvěryhodnost a bezpečnost sítě.

Tato nezměnitelnost, ačkoli vítaná pro ochranu integrity dat, přináší problém, jak vyhovět žádostem o vymazání údajů. Regulace, jako je právo na zapomenutí, které umožňuje jednotlivcům žádat o vymazání svých osobních údajů, se může střetávat s touto vlastností blockchainu. Blockchainový systém je postaven na myšlence, že jakékoliv změny jsou trvalé, což ztěžuje vyhovění právním požadavkům v oblasti ochrany soukromí. V případě porušení tohoto práva mohou vzniknout právní problémy, včetně pokut a sankcí. Pro vývojáře a operátory blockchainových platforem to znamená riziko, že nové obchodní modely nebo technologické inovace mohou být brzděny právními obavami.

Jedním z řešení, jak překonat tuto výzvu, je aplikace práva na opravu údajů, které je součástí evropské legislativy. Právo na opravu umožňuje opravit nebo vymazat osobní údaje, které jsou nepřesné, neúplné nebo zastaralé. V případě veřejného blockchainu je tento proces komplikovaný, protože oprava nesprávných dat musí probíhat na více uzlech sítě. To může vést k problémům s konektivitou a výkonností sítě, zvláště když je třeba vytvořit hard fork nebo jinak upravit historii transakcí. V případě soukromých blockchainů je tento proces jednodušší, protože řízení dat je centralizovanější a operace s nimi mohou být prováděny efektivněji.

Dalším možným řešením je uložení citlivých dat mimo blockchain, například na centralizovaných serverech, což umožňuje jejich úpravy a zároveň neovlivňuje provoz samotné blockchainové sítě. Tento model ukládání dat mimo hlavní ledger může pomoci v řešení právních a technických výzev spojených s ochranou soukromí, aniž by ohrozil bezpečnost nebo funkčnost blockchainového systému. Tato strategie je stále v počáteční fázi vývoje a je nutné jí věnovat další výzkum a analýzu.

Vedle těchto technických výzev je však blockchain konfrontován i s vážnými bezpečnostními hrozbami. Mezi největší hrozby patří kybernetické útoky, které mohou ohrozit integritu a dostupnost blockchainových systémů. DDoS (Distributed Denial of Service) útoky, které se zaměřují na zahlcení sítě obrovským množstvím provozu, a 51% útoky, kdy útočník získá kontrolu nad většinou těžební kapacity a může manipulovat s historií transakcí, jsou nejvýznamnějšími hrozbami. I když decentralizované blockchainové platformy, jako je Ethereum nebo Solana, jsou obecně odolné vůči těmto útokům, není to záruka proti jejich zneužití. V roce 2021 byly například sítě Polygon a Solana napadeny DDoS útoky, které vedly k congesti a zpoždění. Podobné problémy zažila i kryptoburza Binance v roce 2020. Útoky tohoto druhu mohou mít vážné důsledky pro provoz blockchainových energetických platforem, které by mohly ohrozit energetickou dostupnost a vyvolat ekonomické problémy.

V tomto kontextu je kladeno důraz na potřebu silné kybernetické bezpečnosti, která by chránila obchodní platformy a zajistila hladký chod decentralizovaných systémů. S rostoucími objemy transakcí a větším zapojením uživatelů je kladeno stále větší důraz na ochranu proti těmto hrozbám. Implementace efektivních bezpečnostních protokolů a technologií pro ochranu proti těmto útokům je zásadní pro zajištění dlouhodobé úspěšnosti blockchainových technologií v sektoru energetiky a dalších oblastech.