Los MXenos están cubiertos con metal-oxígeno y metal-hidroxilo (p. Ej., Enlaces Ti-OH), que son química y electroquímicamente activos. Crédito:KAUST
Descubiertos por investigadores de la Universidad de Drexel como electrodos para aplicaciones energéticas, Los MXenes se han convertido en un foco de investigación para KAUST. Husam Alshareef y su equipo se especializan en la creación de nanomateriales para aplicaciones electrónicas y energéticas. Los convierten en dispositivos, como supercondensadores, baterías y sensores. La superficie químicamente activa y el núcleo altamente conductor de los MXenes los convierten en un material candidato ideal para la investigación de materiales de vanguardia del grupo.
Los MXenes consisten típicamente en un núcleo de átomos de titanio y carbono, solo unos pocos átomos de espesor. Este material metálico (un carburo o nitruro) tiene una conductividad eléctrica comparable a un alambre de cobre. La superficie superior e inferior del MXene está cubierta con enlaces metal-oxígeno (por ejemplo, Ti-O) y metal-hidroxilo (por ejemplo, Ti-OH), que son química y electroquímicamente activos. "Esta combinación de propiedades hace que MXenes sea único, "Explica Alshareef.
"Los investigadores de KAUST han realizado contribuciones innovadoras a las aplicaciones de MXenes en dispositivos y sensores electrónicos, "dice Yury Gogotsi, un profesor de la Universidad de Drexel en los Estados Unidos, uno de los descubridores de MXenes. "Los han trasladado de la etapa de material a la etapa de dispositivo gracias a su experiencia con la electrónica. Esto es muy importante y puede ser un momento decisivo en la implementación práctica de MXenes en la industria".
Empezando desde cero
"Tener el conocimiento para preparar MXenes de buena calidad es clave para lograr un rendimiento excelente, "dice Alshareef. Para hacer los cristales atómicos 2-D MXene, el material de origen, conocida como fase MAX, se prepara por primera vez utilizando tecnología de procesamiento de cerámica convencional. La M en MAX representa un metal de transición, como el titanio; A es típicamente aluminio; y X es carbono o nitrógeno. Los métodos de procesamiento de solución se utilizan para eliminar selectivamente el aluminio para crear cristales bidimensionales. Estos cristales se colocan en suspensiones que luego se utilizan para hacer películas, geles hojas y puntos cuánticos de MXene.
Los desafíos para hacer MXenes es que se necesitan temperaturas de hasta 1700 grados Celsius para hacer la fase MAX principal, y se necesita HF para grabar el aluminio. "Estamos desarrollando procesos para simplificar los protocolos de síntesis y hacerlos más ecológicos y energéticamente eficientes para preparar, "Dice Alshareef.
Membranas MXene, como estos fabricados en el laboratorio de Alshareef, se utilizan para el almacenamiento de energía, detección y generación de energía osmótica. Crédito:KAUST
Desarrollando nuevos dispositivos
Recientemente, Alshareef y su grupo desarrollaron soft basado en MXene, polímeros súper elásticos llamados hidrogeles. "Lo llamamos piel inteligente MXene, "Dice Alshareef." Se puede estirar en 3, 400 por ciento, autocuración, suave y puede sentir casi cualquier cosa:la fuerza del tacto, dirección, velocidad, voz, presión, temperatura, humedad ". El equipo demostró que un pequeño trozo de piel inteligente colocado en la frente podía diferenciar múltiples expresiones faciales, mientras que una pieza colocada en la piel sobre la laringe podría diferenciar cada letra del alfabeto simplemente midiendo el movimiento de la laringe.
Los MXenes se pueden utilizar para crear mejores sensores, pantallas táctiles, fotodetectores y compuestos. Crédito:KAUST
Dispositivos sensores, que puede capitalizar la gran superficie y la extraordinaria conductividad de los MXenes, son otra vía prometedora de investigación. Más reciente, el equipo creó un sensor de sudor portátil basado en MXene para monitorear los biomarcadores clave en la transpiración. El sensor extensible puede medir simultáneamente múltiples parámetros, incluido el lactato, glucosa, pH y zinc. "Mide y transmite directamente a su teléfono, y funciona, ", Dice Alshareef." Nuestro prototipo de sensor de sudor portátil funciona bien, y nuestros esfuerzos futuros se centrarán en la miniaturización ".
Las colaboraciones de Alshareef en todo el campus de KAUST demuestran el amplio potencial de MXenes. Ha estado trabajando con Omar Mohammed para comprender sus propiedades optoelectrónicas fundamentales y fabricar dispositivos fotónicos y plasmónicos basados en MXene; Peng Wang, del Centro de Desalación y Reutilización de Agua, desarrollar generadores de energía osmótica; y Xixiang Zhang para explorar la naturaleza bidimensional de MXenes para desarrollar ferroeléctricos bidimensionales, Cristales electroópticos y piezoeléctricos que heredan las propiedades de los MXenes.
