Un nuevo método para fabricar materiales, desarrollado por ingenieros de la Universidad de Drexel, permite "emparedar" capas dispares de elementos. Crédito:Universidad de Drexel
Los científicos cuyo trabajo es probar los límites de lo que la naturaleza, específicamente la química, permitirá que exista, Acabo de instalar una tienda en un nuevo inmueble en la Tabla Periódica. Usando un método que inventaron para unir capas elementales dispares en un material estable con uniforme, propiedades predecibles, Los investigadores de la Universidad de Drexel están probando una serie de nuevas combinaciones que pueden ampliar enormemente las opciones disponibles para crear más rápido, menor, almacenamiento de energía más eficiente, electrónica avanzada y materiales resistentes al desgaste.
Dirigido por el investigador postdoctoral Babak Anasori, Doctor, un equipo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel creó el método de fabricación de materiales, que puede emparejar láminas 2-D de elementos que de otra manera no se podrían combinar de forma estable. Y demostraron su eficacia creando dos completamente nuevos, materiales bidimensionales en capas que utilizan molibdeno, titanio y carbono.
"Al 'intercalar' una o dos capas atómicas de un metal de transición como el titanio, entre capas monoatómicas de otro metal, como el molibdeno, con átomos de carbono que los mantienen unidos, descubrimos que se puede producir un material estable, "Anasori dijo." Era imposible producir un material 2-D que tuviera solo tres o cuatro capas de molibdeno en tales estructuras, pero debido a que agregamos la capa adicional de titanio como conector, pudimos sintetizarlos ".
El descubrimiento, que fue publicado recientemente en la revista ACS Nano , es importante porque representa una nueva forma de combinar materiales elementales para formar los componentes básicos de la tecnología de almacenamiento de energía, como baterías, condensadores y supercondensadores, así como compuestos superfuertes, como los que se utilizan en las carcasas de los teléfonos y las armaduras corporales. Cada nueva combinación de capas de un átomo de espesor presenta nuevas propiedades y los investigadores sospechan que una, o más, de estos nuevos materiales exhibirán propiedades de almacenamiento de energía y durabilidad tan desproporcionadas a su tamaño que podrían revolucionar la tecnología en el futuro.
"Si bien es difícil de decir, en este punto, exactamente qué será de estas nuevas familias de materiales 2-D que hemos descubierto, Se puede decir con seguridad que este descubrimiento permite que el campo de la ciencia de los materiales y la nanotecnología se adentre en un territorio inexplorado. "Dijo Anasori.
Maestría en materiales
Combinar hojas bidimensionales de elementos de forma organizada para producir nuevos materiales ha sido el objetivo de los investigadores de nanomateriales de Drexel durante más de una década. Imponer este tipo de organización a nivel atómico no es tarea fácil.
"Por su estructura y carga eléctrica, a ciertos elementos simplemente no les gusta que se combinen, "Dijo Anasori." Es como tratar de apilar imanes con los postes en la misma dirección, no vas a tener mucho éxito y vas a recoger muchos imanes voladores ".
Los ingenieros de la Universidad de Drexel han creado un material en capas de molibdeno y titanio mediante el uso de un nuevo proceso que inventaron para grabar una fase MAX en una fase bidimensional, MXene en capas. Crédito:Universidad de Drexel
Pero a los investigadores de Drexel se les ocurrió una forma inteligente de sortear este desafío químico. Comienza con un material llamado fase MAX, que fue descubierto por el distinguido profesor Michel W. Barsoum, Doctor, jefe del grupo de investigación MAX / MXene, hace más de dos décadas. Una fase MAX es como el exudado primordial que generó los primeros organismos:todos los elementos del producto terminado están en la fase MAX, esperando que los investigadores impongan algún orden.
Esa orden fue impuesta por Michel W. Barsoum, PhD y Yury Gogotsi, Doctor, Distinguido profesor universitario y fiduciario de la Facultad de Ingeniería y director del Grupo de Nanomateriales Drexel, cuando crearon por primera vez un establo, bidimensional, material en capas llamado MXene en 2011.
Para crear MXenes, los investigadores extraen selectivamente capas de átomos de aluminio de un bloque de la fase MAX grabándolas con un ácido.
"Piense en la síntesis de MXene como separar capas de madera sumergiendo una hoja de madera contrachapada en un producto químico que disuelve el pegamento, "Dijo Anasori." Al poner una fase MAX en ácido, hemos podido grabar selectivamente ciertas capas y convertir la fase MAX en muchas láminas 2-D delgadas, que llamamos MXenes ".
En cuanto a los materiales de almacenamiento de energía, Los MXenes fueron una revelación. Antes de su descubrimiento, grafeno que es una sola hoja de átomos de carbono, fue el primer material bidimensional que se promocionó por sus capacidades potenciales de almacenamiento de energía. Pero, ya que estaba compuesto por un solo elemento, carbón, el grafeno era difícil de modificar en forma y, por lo tanto, tenía una capacidad limitada de almacenamiento de energía. Los nuevos MXenes tienen superficies que pueden almacenar más energía.
Un callejón sin salida elemental
Cuatro años después, los investigadores han trabajado en la sección de la tabla periódica con elementos llamados "metales de transición, "produciendo fases MAX y grabándolas en MXenes de varias composiciones mientras se prueban sus propiedades de almacenamiento de energía.
El nuevo método de los investigadores para fabricar materiales bidimensionales permite combinar múltiples capas diferentes de elementos por primera vez.
El descubrimiento de Anasori llega en un momento en que el grupo ha encontrado un obstáculo en su progreso a través de la tabla de elementos.
"Habíamos llegado a un punto muerto, al intentar producir un molibdeno que contenga MXenes, "Dijo Anasori." Al agregar titanio a la mezcla, logramos hacer una fase MAX de molibdeno ordenada, donde los átomos de titanio están en el centro y el molibdeno en el exterior.
La próxima frontera
Ahora, con la ayuda de cálculos teóricos realizados por investigadores del FIRST Energy Frontier Research Center en el Oak Ridge National Laboratory, El equipo de Drexel lo sabe, en principio, puede utilizar este método para fabricar hasta 25 nuevos materiales con combinaciones de metales de transición, como el molibdeno y el titanio, que anteriormente no se hubiera intentado.
Los investigadores de Drexel han creado varios materiales nuevos de MXene en capas y predicen que pueden hacer hasta 25 combinaciones nuevas utilizando su nuevo método de "sándwich" atómico.
"Tener la posibilidad de colocar diferentes elementos en capas en la forma más delgada de material conocida por la comunidad científica conduce a nuevas y emocionantes estructuras y permite un control sin precedentes sobre las propiedades de los materiales, Barsoum dijo:"Este nuevo método de estratificación brinda a los investigadores un número inimaginable de posibilidades para ajustar las propiedades de los materiales para una variedad de aplicaciones de alta tecnología".
Anasori planea fabricar más materiales reemplazando el titanio con otros metales, como el vanadio, niobio, y tantalio, lo que podría desenterrar una veta de nuevas propiedades físicas que respalden el almacenamiento de energía y otras aplicaciones.
"Este nivel de complejidad estructural, o capas, en materiales 2-D tiene el potencial de conducir a muchas estructuras nuevas con un control único sobre sus propiedades, ", Dijo Gogotsi." Vemos posibles aplicaciones en termoeléctrica, baterías catálisis, células solares, dispositivos electrónicos, compuestos estructurales y muchos otros campos, permitiendo un nuevo nivel de ingeniería a escala atómica ".
