Esta imagen SEM muestra una membrana laminar preparada de MXene antes de la exposición al agua / luz / calor. Crédito:KAUST 2020
Un material en capas desarrollado por investigadores de KAUST puede actuar como un sensor de temperatura preciso al explotar el mismo principio utilizado en los canales de iones biológicos.
Las células humanas poseen varias proteínas que actúan como canales para los iones cargados. En la piel ciertos canales de iones dependen del calor para impulsar un flujo de iones que genera señales eléctricas, que usamos para sentir la temperatura de nuestro entorno.
Inspirado por estos sensores biológicos, Los investigadores de KAUST prepararon un compuesto de carburo de titanio (Ti 3 C 2 T X ) conocido como MXene, que contiene múltiples capas de solo unos pocos átomos de espesor. Cada capa está cubierta de átomos cargados negativamente, como oxígeno o flúor. "Estos grupos actúan como espaciadores para mantener separadas las nanohojas vecinas, permitir que las moléculas de agua entren en los canales interplanares, "dice el postdoctorado de KAUST Seunghyun Hong, parte del equipo detrás del nuevo sensor de temperatura. Los canales entre las capas de MXene son más estrechos que un solo nanómetro.
Los investigadores utilizaron técnicas, como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de barrido, para investigar su MXene, y encontraron que la adición de agua al material ensanchaba ligeramente los canales entre capas. Cuando el material tocó una solución de cloruro de potasio, Estos canales eran lo suficientemente grandes como para permitir que los iones de potasio positivos se movieran a través del MXene, pero bloqueó el paso de iones cloruro negativos.
Una diferencia de temperatura entre dos extremos de un nanocanal MXene hace que el agua y los iones de potasio fluyan del lado frío al lado cálido (arriba). Cuando la luz solar calienta solo una parte de un dispositivo MXene, un flujo termoosmótico genera un voltaje que puede indicar pequeños cambios de temperatura (abajo). Crédito:ACS Nano; Alshareef, H.N. et al.
El equipo creó un pequeño dispositivo que contenía el MXene y expuso un extremo a la luz solar. Los MXenes son particularmente eficientes para absorber la luz solar y convertir esa energía en calor. El aumento de temperatura resultante provocó que las moléculas de agua y los iones de potasio fluyeran a través de los nanocanales desde el extremo más frío hasta la parte más cálida. un efecto conocido como flujo termoosmótico. Esto provocó un cambio de voltaje comparable al observado en los canales iónicos biológicos sensibles a la temperatura. Como resultado, el dispositivo podía detectar de forma fiable cambios de temperatura de menos de un grado Celsius.
La disminución de la salinidad de la solución de cloruro de potasio mejoró el rendimiento del dispositivo, en parte mejorando aún más la selectividad del canal para los iones de potasio.
A medida que los investigadores aumentaron la intensidad de la luz que brillaba sobre el material, su temperatura subió al mismo ritmo, al igual que la respuesta de transporte de iones. Esto sugiere que, además de actuar como sensor de temperatura, el material también podría usarse para medir la intensidad de la luz.
El trabajo fue el resultado de la colaboración entre los grupos de profesores de KAUST, Husam Alshareef y Peng Wang. "Prevemos que los canales de cationes MXene son prometedores para muchas aplicaciones potenciales, incluida la detección de temperatura, fotodetección o captación de energía fototermoeléctrica, "dice Alshareef, quien codirigió el equipo.
