Casi 15 años después de descubrir MXenes, una clase versátil de nanomateriales conductores bidimensionales, investigadores de la Universidad de Drexel han desarrollado una forma de crear una versión unidimensional, ahora conocida como nanoscrolls MXene. Estas estructuras ultrafinas, aproximadamente 100 veces más delgadas que un cabello humano, son más conductoras que sus contrapartes planas y podrían mejorar significativamente tecnologías como los dispositivos de ahorro de energía, los biosensores y la electrónica portátil.
La investigación se publica en la revista. Materiales avanzadosintroduce un método escalable para producir estos nanorollos a partir de precursores de MXene mientras se controla con precisión su forma y composición química.
“La morfología bidimensional es muy importante en muchas aplicaciones. Sin embargo, hay aplicaciones en las que la morfología 1D es superior”, afirmó Yuriy Gogotsy, PhD, profesor de Bach en la Distifused University y Drexel College of Engineering, autor correspondiente del artículo. “Es como comparar una lámina de acero con un tubo de metal o una barra de refuerzo. Se necesitan láminas para fabricar la carrocería de un automóvil, pero se necesitan tubos o varillas largas para bombear agua o reforzar el hormigón”.
De láminas planas a nanoestructuras tubulares
El equipo enrolló escamas planas de MXene en pequeñas estructuras tubulares para crear nanorollos que son aproximadamente diez mil veces más delgados que una tubería de agua. Estos materiales en forma de tubos pueden reforzar polímeros y metales o guiar el movimiento de iones en baterías y sistemas de desalinización con una resistencia mucho menor.
“Con los MXenes 2D estándar, los copos se colocan planos uno encima del otro, creando un espacio confinado para iones o moléculas y un camino difícil para navegar y moverse entre capas”, dijo Teng Zhang, PhD, investigador postdoctoral en la Facultad de Ingeniería y coautor del estudio. “Al convertir nanohojas 2D en rollos 1D, contrarrestamos este efecto de nanoconfinamiento. La geometría tubular abierta crea efectivamente ‘autopistas’ para un transporte rápido, permitiendo que los iones se muevan libremente”.
Aunque ya se conocen estructuras similares hechas de grafeno, como los nanotubos de carbono, ha sido difícil producir nanorollos de MXene consistentes y de alta calidad. Los MXenes ofrecen ventajas sobre el grafeno, incluida una química rica, un procesamiento fácil y una alta conductividad, pero los intentos anteriores de formar rollos a menudo han dado lugar a resultados desiguales.
Método escalable para fabricar nanoscrolls MXene
Para crear los nanorollos, los investigadores comenzaron con copos MXene multicapa. Al ajustar cuidadosamente el entorno químico, utilizan agua para cambiar la química de la superficie del material. Esto provoca un desequilibrio estructural llamado reacción de Janus, que crea tensiones internas entre las capas. A medida que esta variedad se desarrolla, las capas se desprenden y se enrollan formando volutas apretadas.
El equipo aplicó con éxito este método a seis tipos de MXenes, incluidas dos formas de carburo de titanio, así como carburo de niobio, carburo de vanadio, carburo de tantalio y carbonitruro de titanio. Pudieron producir constantemente 10 g de nanorollos con propiedades químicas y físicas controladas.
Conductividad mejorada y capacidades de detección.
La estructura en forma de espiral no sólo mejora la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica, sino que también cambia la forma en que el material interactúa con las moléculas. Esto lo hace particularmente prometedor para aplicaciones sensibles y materiales compuestos avanzados.
“En una estructura 2D apilada estándar, los sitios activos para la adsorción molecular a menudo están ocultos entre las capas, lo que dificulta el acceso de las moléculas, especialmente las biomoléculas grandes”, dijo Gogotsi. “La estructura hueca y abierta del rollo resuelve esto al permitir que los analitos accedan fácilmente a la superficie de MXene. Combinado con la alta conductividad y rigidez mecánica del material, esto garantiza que podamos obtener una señal fuerte y estable. Por lo tanto, imaginamos el uso de rollos en biodetección. La misma superficie accesible del rollo conductor podría ser útil para otros dispositivos capgene, lo cual es necesario para los dispositivos capsit. Iones y moléculas de superficie”.
Electrónica portátil y aplicaciones textiles inteligentes
Los investigadores también ven un gran potencial para los nanoscrolls MXene en la electrónica portátil, también conocida como dispositivos ionotrónicos. En estos sistemas, las volutas pueden fortalecer el material y mejorar la conductividad. Su estructura rígida les permite anclarse en polímeros blandos, lo que agrega resistencia y al mismo tiempo mantiene una red conductora confiable.
Esta combinación puede dar lugar a materiales estirables que continúan funcionando incluso bajo flexiones y movimientos repetidos.
El equipo también descubrió que la orientación de los nanorollos en solución se puede controlar mediante un campo eléctrico. Esto significa que se pueden alinear con fibras textiles, creando un revestimiento más duradero y conductor para tejidos inteligentes.
“Imagínese millones de túbulos 100 veces más delgados que un cabello humano colocados verticalmente para formar un alambre o un cepillo”, dijo Zhang. “Esto es nanotecnología real, porque podemos manipular la materia a nanoescala. También es un avance importante para los textiles funcionales, porque las volutas se pueden incorporar a las fibras sintéticas como materiales de refuerzo”.
Superconductividad y futuras aplicaciones cuánticas
De cara al futuro, los investigadores planean investigar más a fondo cómo se comportan estos nanorollos a nivel cuántico, en particular su potencial de superconductividad.
“Hasta ahora, la superconductividad de esta clase de MXenes se ha limitado a gránulos prensados de partículas y polvos, con una flexibilidad mecánica nunca alcanzada en películas procesadas en solución”, dijo Gogotsi. “Usando rollos de carburo de niobio, observamos por primera vez cambios de material lo suficientemente grandes como para permitir la superconductividad en películas macroscópicas independientes. El proceso de desplazamiento introduce tensiones y curvaturas específicas de la red que están ausentes en las láminas planas. Aunque el mecanismo físico exacto aún se está explorando, planteamos la hipótesis de que esta estructura, consistentemente, estabiliza el estado superconductor hasta 1.200.000.000.000.000”.
A medida que crece el interés por los materiales cuánticos, los nanomateriales como los MXenes están ganando atención por su capacidad para mejorar la potencia informática y el almacenamiento de datos. Este trabajo marca un paso importante para hacer de la superconductividad MXene una propiedad más práctica y utilizable.
“Utilizando los métodos descritos en este artículo, ahora podemos procesar MXenes superconductores en películas, recubrimientos o cables flexibles a temperatura ambiente para posibles interconexiones superconductoras o sensores cuánticos”, dijo Zhang. “Esperamos muchos otros fenómenos interesantes causados por el desplazamiento y vamos a estudiarlos”.
