En medio de una oleada de investigación en las últimas dos décadas que se centra en las propiedades especiales de las estructuras que tienen solo un átomo o dos de espesor, llamados materiales "bidimensionales", Los investigadores de la Universidad de Drexel han estado descubriendo constantemente las propiedades excepcionales de una familia de estos materiales, llamado MXenes. Los investigadores ahora saben que los MXenes son altamente conductores y extremadamente duraderos, pueden bloquear la interferencia electromagnética, sentir los químicos en el aire, quitar la sal del agua, y capturar hidrógeno. Han presentado argumentos sólidos para participar en el futuro del almacenamiento de energía, comunicación inalámbrica y tecnología portátil. Pero antes de que eso suceda, los investigadores deben comprender por qué los MXenes pueden hacer lo que hacen y cómo pueden diseñarse para hacerlo mejor.
Como materiales bidimensionales, Los MXenes se definen en gran medida por sus superficies, sin embargo, los investigadores se encuentran en las primeras etapas de la medición directa de cómo la química de la superficie de los MXenes influye en su rendimiento. Investigadores del Grupo de Caracterización Dinámica de la Facultad de Ingeniería de Drexel abordaron recientemente esta pregunta en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Su estudio sugiere que la ingeniería de los átomos unidos a las superficies de los MXenes y las moléculas entre sus capas podría mejorar drásticamente varias propiedades de los materiales.
En su examen de la química de la superficie de MXene, las investigaciones se basaron en una nueva técnica de microscopía electrónica, desarrollada en Drexel en 2016, que permite una medición sin precedentes de la química de la superficie que define las propiedades en tiempo real.
"Si bien la idea de controlar las propiedades de MXene cambiando la terminación de la superficie y la intercalación siempre ha sido un objetivo clave en el avance de estos materiales, Somos los primeros en lograr directamente este objetivo y sentar las bases para diseñar estos materiales para mejorar la conductividad y explorar la posibilidad de desarrollar semiconductores. MXenes magnéticos y topológicamente aislantes, "dijo Mitra Taheri, Doctor., Profesor de Hoeganaes y responsable del Grupo de Caracterización Dinámica, el autor principal del estudio. "El santo grial es tener control sobre lo que sucede 'entre las sábanas, ' por así decirlo. Estamos demostrando un gran paso hacia la ingeniería de terminación mediante el uso de nuevas técnicas TEM in situ y nuestra tecnología de espectroscopia de detección directa ".
MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas relacionadas químicamente, dejando una pila de copos bidimensionales. Según el grabador químico exacto utilizado, las especies atómicas que quedan unidas con las superficies de las escamas (las especies de terminación) y las moléculas que se atascan entre las escamas (los intercaladores) variarán. Los investigadores han especulado que la interacción entre el MXene, especies de terminación, y las especies de intercalación tienen algo que ver con la conductividad de los MXenes.
Ahora lo han confirmado.
En Drexel se han producido unos 30 tipos diferentes de MXenes, y este estudio analizó el comportamiento de tres que se exploran con frecuencia para aplicaciones. El objetivo de los investigadores era medir la conductividad de estos materiales antes de ser probados, y luego para monitorearlo a medida que se eliminaron los intercaladores y se alteró la química de la superficie de las escamas.
Para hacer esto, el equipo calentó gradualmente los materiales al vacío a temperaturas de hasta 775 grados Celsius. Durante el proceso de calentamiento, el equipo supervisó tanto la resistencia electrónica del material, una forma de determinar su conductividad, como la observación de la disipación química, o desintercalación, del intercalante en tiempo real. Para realizar estas medidas, los investigadores utilizaron una técnica que habían desarrollado previamente, llamada espectroscopia de pérdida de energía de electrones de detección directa, que es ideal para monitorear cambios químicos en materiales 2-D.
El mismo proceso pudo monitorear y estudiar la liberación de los átomos de terminación de la superficie de las escamas de MXene. En ambos casos, medidas de la resistencia eléctrica del material, revelaron que se volvían más conductivos a medida que se eliminaban las especies de terminación e intercaladores.
"En nuestro estudio, comenzamos con MXenes que tenían una mezcla de oxígeno, hidróxido, y especies de terminación de flúor, y mostramos que a medida que elimina parcialmente estos grupos de terminación de superficie, la conductividad aumenta significativamente. Esto también es cierto ya que el agua y las moléculas orgánicas están desintercaladas, "dijo Jamie Hart, investigador doctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor de la investigación. "En tono rimbombante, probando estos materiales en el microscopio electrónico y midiéndolos con espectroscopía de pérdida de energía electrónica, pudimos establecer una relación causal entre la intercalación y la pérdida de terminación y la conductividad mejorada ".
Aunque esto confirma una teoría sobre la que se ha especulado durante algún tiempo, Hart señala que ha sido casi imposible inducir con precisión, rastrear y medir los efectos de estos cambios químicos hasta ahora. Entonces, este descubrimiento es significativo no solo porque muestra la fuente del comportamiento de MXenes, pero también cómo se puede alterar el comportamiento.
"La mayoría de los estudios experimentales que analizan los MXenes están orientados a una aplicación específica, por ejemplo, usar MXene para hacer una batería y optimizar la fabricación y el diseño para maximizar el rendimiento de la batería, ", Dijo Hart." Nuestro estudio hace preguntas fundamentales sobre las propiedades de los MXenes y nuestros hallazgos proporcionan pautas claras sobre cómo mejorar la conductividad en los MXenes, lo que debería traducirse directamente en un rendimiento mejorado para aplicaciones como antenas y blindaje contra interferencias electromagnéticas ".
Los hallazgos son un paso importante hacia la optimización de MXenes para diversas aplicaciones:electrónica portátil, almacenamiento de energía y blindaje contra interferencias electromagnéticas, se encuentran entre los que están en el horizonte, además de comprender cómo hacerlos estables en condiciones atmosféricas durante períodos prolongados de tiempo. También señalan el camino hacia la creación de MXenes magnéticos que podrían usarse para dispositivos de almacenamiento de datos.
"Este tipo de investigación es fundamental para el desarrollo de MXenes y su eventual integración en los dispositivos que mejoran nuestra vida diaria, "dijo Kanit Hantanasirisakul, un candidato a doctorado en la Facultad de Ingeniería de Drexel, y coautor del estudio. "Será emocionante seguir el progreso de MXenes ahora que comprendemos mejor cómo controlar sus propiedades".
