La espectroscopia láser ultrarrápida permite observar el movimiento de los átomos en sus escalas de tiempo naturales en el rango de femtosegundos, la millonésima de una mil millonésima de segundo. Microscopio de electrones, por otra parte, proporciona resolución espacial atómica. Combinando electrones y fotones en un solo instrumento, el grupo del profesor Peter Baum de la Universidad de Konstanz ha desarrollado algunos de los microscopios electrónicos más rápidos para obtener una visión detallada de los materiales y su dinámica a resoluciones máximas tanto en el espacio como en el tiempo.

En su reciente publicación en ACS Nano , Los científicos del laboratorio de Baum han aplicado esta técnica junto con colegas de ETH Zurich para estudiar materiales novedosos, láminas bidimensionales definidas molecularmente llamadas MXenes, y han realizado un descubrimiento sorprendente. Usando pulsos de láser, Los MXenes se pueden cambiar repetidamente entre una forma plana y ondulada, abriendo un amplio espectro de posibles aplicaciones.

MXenes:nuevos materiales bidimensionales

Los MXenos son láminas bidimensionales de carburos o nitruros de metales de transición en forma de capas individuales de pocos átomos de espesor. "Los MXenes son comparables a una molécula en una dimensión espacial y a un sólido extendido en las otras dos, "Dr. Mikhail Volkov, primer autor del estudio reciente, describe la estructura de MXenes. Los MXenes se sintetizan "despegando" las capas delgadas de material de un material precursor, un proceso llamado exfoliación.

A diferencia de la mayoría de los otros materiales de una sola capa, Los MXenes se pueden producir fácilmente en grandes cantidades, gracias al descubrimiento de un método de exfoliación química escalable e irreversible. Las propiedades químicas y físicas de los MXenes pueden ajustarse ampliamente mediante la elección del metal de transición, lo que lleva a aplicaciones generalizadas de MXenes en la detección, almacen de energia, cosecha de luz, y acción antibacteriana.

Nanoondas en MXenes formadas por luz rápida

En su estudio, Los investigadores principales, el Dr. Mikhail Volkov de la Universidad de Konstanz y la Dra. Elena Willinger de ETH Zurich, han encontrado una nueva forma de mejorar las propiedades de los MXenes al iluminarlos con pulsos de luz rápidos. Usando microscopía electrónica ultrarrápida con resolución espacial atómica, grabaron una película de MXenes interactuando con pulsos de láser de femtosegundos, mostrando que la energía láser se transfiere a la red atómica en un tiempo récord de solo 230 femtosegundos.

Inesperadamente, Los científicos también encontraron que la luz láser de femtosegundos se puede usar para alternar entre la estructura de superficie originalmente plana del MXene y una forma de nano-onda del material:un "nanopaisaje" de colinas y valles con una periodicidad que es cincuenta veces más fino que la longitud de onda del láser. "Podemos controlar la orientación de las nanoondas con la polarización del láser, lo que significa que el material tiene una memoria óptica a nanoescala.

Es más, si el láser vuelve a golpear, el MXene nano-ondulado vuelve a convertirse en un avión y permanece plano durante la iluminación. El tamaño extremadamente pequeño de las nano ondas y la rápida reacción de la red también son bastante sorprendentes. y es probable que esté involucrado un fenómeno llamado acoplamiento plasmón-fonón, "explica Volkov.

Nanoondas que aumentan el rendimiento del material

"La nanoestructuración en forma de ondas también aumenta la relación superficie-volumen de los materiales, haciéndolos químicamente más reactivos. Además, mejora los campos electromagnéticos locales, mejorar el acoplamiento con la luz, una propiedad valiosa para aplicaciones de detección, "dice Volkov. Por lo tanto, los científicos esperan que los MXenes nano-ondas descubiertos muestren una capacidad de almacenamiento de energía mejorada y una actividad catalítica o antibiótica mejorada". Finalmente, la posibilidad de cambiar la estructura de MXenes entre plano y ondulado 'a pedido' a través de un pulso láser abre formas intrigantes de usar los materiales en plasmónica activa, dispositivos químicos y eléctricos, "Concluye Volkov.