Los investigadores han buscado durante mucho tiempo materiales conductores de electricidad para dispositivos económicos de almacenamiento de energía. Las cerámicas bidimensionales (2-D) llamadas MXenes son contendientes. A diferencia de la mayoría de las cerámicas bidimensionales, Los MXenos tienen una conductividad inherentemente buena porque son láminas moleculares hechas de carburos y nitruros de metales de transición como el titanio.

Los MXenes fueron co-descubiertos por Michael Naguib, ahora miembro de Wigner en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, mientras realizaba su doctorado en la Universidad de Drexel en 2011. Las capas MXene se pueden combinar para diseñar electrónica ultradelgada, sensores, baterías supercondensadores y catalizadores. Desde entonces se han reportado alrededor de 20 MXenes.

Recientemente, Científicos de ORNL que utilizan microscopía electrónica de transmisión de barrido de última generación, o STEM, proporcionó la primera evidencia directa de las configuraciones de defectos atómicos en un MXene de carburo de titanio sintetizado en la Universidad de Drexel. Publicado en ACS Nano , una revista de la American Chemical Society, el estudio combinó la caracterización a escala atómica y las mediciones de propiedades eléctricas con una simulación basada en la teoría.

"Utilizando imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica, Visualizamos defectos y grupos de defectos en MXene que son muy importantes para futuros dispositivos nanoelectrónicos y aplicaciones catalíticas. "dijo el autor principal Xiahan Sang del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.

"Los defectos de nivel atómico se pueden transformar en materiales para permitir nuevas funcionalidades, ", dijo el autor principal Raymond Unocic de CNMS." Comprender estos defectos es fundamental para el avance de los materiales ".

La obtención de imágenes atómicas desde diferentes perspectivas fue la clave para revelar la estructura de MXene. Cuando la muestra se alinea con el haz de electrones dentro de un instrumento STEM, el espectador no puede saber cuántas hojas hay debajo de la capa superior. Pero simplemente inclina la muestra, y las diferencias aparecen fácilmente. Por ejemplo, una capa de varias hojas está hecha de átomos apilados, una estructura que forma una imagen borrosa cuando se inclina la capa. La aparición de imágenes atómicas nítidas en diferentes condiciones de inclinación demostró sin ambigüedad la estructura de una sola capa del MXene.

Fácil producción en masa de un buen conductor 2-D

Los MXenes están hechos de un cristal a granel tridimensional (3-D) llamado MAX (la "M" denota un metal de transición; "A, " un elemento, como el aluminio o el silicio, de un grupo químico específico; y "X, "ya sea carbono o nitrógeno). En la red MAX de la que surgió el MXene explorado en este estudio, tres capas de carburo de titanio están intercaladas entre capas de aluminio.

Los investigadores de Drexel mejoraron una técnica desarrollada en 2011 y modificada en 2014 para sintetizar MXene a partir de la fase MAX a granel utilizando ácidos. El método mejorado se llama deslaminación de capa mínimamente intensiva, o SUAVE. "Al optar por MILD, terminamos con grandes copos de MXene de alta calidad, "dijo Mohamed Alhabeb, estudiante de doctorado en ciencia de materiales en la Universidad de Drexel, que logró esta hazaña con otro estudiante de doctorado, Katherine Van Aken, bajo el liderazgo de uno de los co-descubridores de MXenes, Distinguido profesor universitario y director de la A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel Yury Gogotsi.

Para sintetizar escamas de MXene independientes, El equipo de Drexel primero trató el MAX a granel con un grabador de sal de fluoruro y ácido clorhídrico para eliminar selectivamente las capas no deseadas de aluminio entre las capas de carburo de titanio. Luego agitaron manualmente el material grabado para separar y recolectar las capas de carburo de titanio. Cada capa tiene cinco átomos de espesor y está formada por átomos de carbono que se unen a tres láminas de titanio. El grabado y exfoliante MAX produce muchas de estas capas independientes de MXene. Esta técnica relativamente simple puede permitir la producción a escala de fabricación.

El grabado crea defectos:espacios vacíos que emergen cuando los átomos de titanio se extraen de las superficies. Los "defectos" son realmente buenos en muchas aplicaciones de materiales. Pueden introducirse en un material y manipularse para mejorar su útil catalizador, Propiedades ópticas o electrónicas.

Cuanto mayor sea la concentración de grabador, cuanto mayor sea el número de defectos creados, el estudio encontró. "Tenemos la capacidad de ajustar la concentración de defectos, que podría utilizarse para adaptar las propiedades fisicoquímicas de los dispositivos de conversión y almacenamiento de energía, "Dijo Sang.

Es más, el número de defectos no afectó fuertemente la conductividad eléctrica de MXene. En CNMS, Ming-Wei Lin y Kai Xiao midieron las propiedades físicas, incluida la conductividad eléctrica, de varios materiales 2-D prometedores. Descubrieron que MXene era un orden de magnitud menos conductivo que una lámina de grafeno perfecta, pero dos órdenes de magnitud más conductivo que el disulfuro de molibdeno metálico.

Usando modelado y simulación, Paul Kent y Yu Xie de ORNL calcularon la energía necesaria para crear configuraciones atómicas de defectos que el STEM de Sang mostró que eran frecuentes.

A continuación, los investigadores planean ajustar los defectos al nivel atómico para adaptar comportamientos específicos.