Una imagen de microscopía electrónica de barrido revela las hermosas formas de diminutas estructuras conocidas como MXenes, que son de interés para los científicos para nuevos dispositivos y electrónica, pero que antes eran difíciles de crear. Estos se cultivaron con un método nuevo, más fácil y menos tóxico inventado por químicos de la Universidad de Chicago. Como referencia, el diámetro de un cabello humano es de aproximadamente 50 µm. 1 crédito
Un enfoque rentable para producir material MXene podría abrir nuevas posibilidades para la tecnología de almacenamiento de energía y electrónica.
La clave de un croissant perfecto radica en su multitud de capas, cada una intercalada con mantequilla. Asimismo, un nuevo material con potencial para diversas aplicaciones está compuesto por numerosas capas metálicas ultrafinas, entre las cuales los científicos pueden insertar diversos iones para fines específicos. Esto los hace potencialmente muy útiles para la futura electrónica de alta gama y el almacenamiento de energía.
Hasta hace poco, producir estos materiales, conocidos como MXenes (pronunciado “max-eens”), requería tanto trabajo como crear un croissant de alta calidad en una panadería francesa tradicional.
Pero un nuevo descubrimiento realizado por científicos de la Universidad de Chicago muestra cómo hacer que estos MXenes sean mucho más rápidos y fáciles, con menos subproductos tóxicos.
Los investigadores esperan que el descubrimiento, publicado en la revista Science, impulse nuevas innovaciones y allane el camino para el uso de MXenes en dispositivos electrónicos y cotidianos.
economía atómica
Cuando se descubrieron en 2011, MXenes tenía muy emocionados a muchos científicos. Normalmente, cuando raspa un metal como el oro o el titanio para crear láminas atómicamente gruesas, deja de comportarse como un metal. Pero los enlaces químicos extraordinariamente fuertes en MXenes les permiten retener las habilidades especiales del metal, como la electricidad fuertemente conductora.
También son fácilmente personalizables: «Puedes poner iones entre las capas para usarlos para almacenar energía, por ejemplo», dijo el estudiante graduado de química Di Wang, coautor del artículo junto con el becario postdoctoral Chenkun Zhou.
Todas estas ventajas pueden hacer que MXenes sea extremadamente útil para construir nuevos dispositivos, por ejemplo, para almacenar electricidad o bloquear la interferencia de las ondas electromagnéticas.
Sin embargo, la única forma que conocíamos de fabricar MXenes implicaba varios pasos intensivos de ingeniería química, incluido el calentamiento de la mezcla a 3000 °F, seguido de un baño en ácido fluorhídrico.
«Eso está bien si está haciendo unos pocos gramos para experimentos de laboratorio, pero si quiere hacer grandes cantidades para usar en productos comerciales, se convierte en un gran problema de eliminación de desechos corrosivos», explicó Dmitri Talapin, profesor de servicio distinguido de Ernest DeWitt Burton. de Química de la Universidad de Chicago, nombrado conjuntamente en el Laboratorio Nacional de Argonne y autor correspondiente del artículo.
Para diseñar un método más eficiente y menos tóxico, el equipo utilizó los principios de la química, en particular, la «economía atómica», que busca minimizar la cantidad de átomos desperdiciados durante una reacción.
El equipo de UChicago descubrió nuevas reacciones químicas que permiten a los científicos producir MXenes a partir de precursores simples y económicos sin el uso de ácido fluorhídrico. Consiste en un solo paso: mezclar varios productos químicos con el metal que desea recubrir, luego calentar la mezcla a 1,700 ° F. «Luego lo abres y ahí están», dijo Wang.
El método más fácil y menos tóxico abre nuevas vías para que los científicos creen y exploren nuevas variedades de MXenes para diferentes aplicaciones, como diferentes aleaciones de metales o diferentes olores de iones. El equipo ha probado el método con metales de titanio y circonio, pero cree que la técnica también se puede usar para muchas otras combinaciones diferentes.
“Estos nuevos MXenes también son visualmente hermosos”, agregó Wang. «Se levantan como flores, lo que incluso podría hacerlos mejores para las reacciones, porque los bordes están expuestos y accesibles para que los iones y las moléculas se muevan entre las capas de metal».
Referencia: «Síntesis directa y deposición química de vapor de MXenes de carburo y nitruro 2D» por Di Wang, Chenkun Zhou, Alexander S. Filatov, Wooje Cho, Francisco Lagunas, Mingzhan Wang, Suriyanarayanan Vaikuntanathan, Chong Liu, Robert F. Klie y Dmitri V . Talapin, 23 de marzo de 2023, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.add9204
El estudiante graduado Wooje Cho también fue coautor del artículo. La exploración fue posible gracias a la ayuda de los colegas de UChicago en todos los departamentos, incluido el químico teórico Suri Vaikuntanathan, el director del centro de investigación de rayos X Alexander Filatov y los electroquímicos Chong Liu y Mingzhan Wang de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular. La microscopía electrónica fue realizada por Robert Klie y Francisco Lagunas de la Universidad de Illinois Chicago.
Parte de la investigación se llevó a cabo a través de Materiales Avanzados para Sistemas de Agua y Energía del Departamento de Energía de EE. UU., un Centro de Investigación de la Frontera Energética; el Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Chicago; y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional de Argonne.
