En la década transcurrida desde su descubrimiento en la Universidad de Drexel, una familia de materiales bidimensionales llamada MXenes se ha mostrado muy prometedora para aplicaciones que van desde el tratamiento de agua y el almacenamiento de energía hasta el blindaje electromagnético y las telecomunicaciones, entre otras. Aunque los investigadores han especulado durante mucho tiempo sobre los orígenes de sus habilidades, un estudio reciente dirigido por Drexel y la Universidad de California en Los Ángeles proporcionó la primera visión clara de la estructura química subyacente a las habilidades de los MXenes.
Utilizando técnicas de imagen conocidas como microscopía de efecto túnel (STM) y espectroscopia de efecto túnel (STS), el equipo, que también incluye investigadores de la Universidad Estatal de California en Northridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, observó el electromagnetismo del carburo de titanio MXene. — el miembro de la familia más estudiado y más utilizado. Sus hallazgos fueron publicados en la edición del quinto aniversario de la revista Cell Press. Casoayudará a definir la gama de propiedades exhibidas por los miembros de la familia MXene y permitirá a los investigadores desarrollar nuevos materiales para aplicaciones específicas.
“La mayoría de las posibles consecuencias de los MXenes son sus niveles de abundancia”, afirmó uno de los autores principales del estudio, cuyo grupo de investigación participó en el descubrimiento del material en 2011. “Proviene de la química”. “La primera observación a escala atómica de su superficie, utilizando microscopía de efecto túnel, es un desarrollo apasionante que abrirá nuevas posibilidades para controlar las superficies de los materiales y permitir aplicaciones de MXenes en tecnologías avanzadas”.
Aunque los MXenes son materiales bidimensionales, es la interacción la que subyace a sus propiedades químicas, electroquímicas y catalíticas, ya sea el almacenamiento ultrarrápido de energía eléctrica, la división del agua para producir hidrógeno o la conversión de urea en sangre. por — Átomos que forman su capa superficial.
Investigaciones anteriores han proporcionado una visión de baja resolución de la estructura química de las superficies de MXene, utilizando técnicas como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectroscopia de masas de iones secundarios (SIMS) y la espectroscopia Raman mejorada con punta (TERS). Estas herramientas ofrecen una lectura indirecta de la estructura de un material, pero proporcionan poca información sobre las complejidades de su organización superficial.
La microscopía de efecto túnel y la espectroscopia de efecto túnel, por el contrario, proporcionan información más directa sobre la forma y estructura de la superficie de un material, así como sobre su química y propiedades superficiales.
Estas herramientas utilizan una sonda muy afilada, que es lo suficientemente sensible como para distinguir un átomo de otro mientras explora una superficie plana. La punta de la sonda tiene una carga eléctrica que le permite interactuar con cada átomo a medida que pasa; esta interacción, conocida como túnel cuántico, proporciona información sobre los átomos en la superficie del material. Los escaneos espectroscópicos proporcionan información sobre la estructura de la superficie a nivel atómico y molecular. Los escaneos se convierten en imágenes, creando mapas topográficos de la superficie del material.
“Con STM/STS, podemos ver las disposiciones atómicas en la superficie de los MXenes e incluso estudiar su comportamiento con resolución atómica”, dijo Gogotsi. “Esto es clave para comprender por qué los MXenes tienen propiedades extremas y superan a otros materiales en muchas aplicaciones. Esto nos abre nuevas oportunidades para explorar las propiedades cuánticas de los MXenes y de esta familia de materiales en rápida expansión. También debería ayudar a identificar
Según los investigadores, identificar grupos de átomos (llamados grupos funcionales) y medir sus propiedades en una superficie, observando su ubicación y unión específicas, son avances importantes para comprender cómo interactúan los MXenes con otros químicos y materiales. los investigadores.
“Las superficies MXene son químicamente heterogéneas. Eso es lo que las hace interesantes y difíciles de estudiar”, dijo Paul Weiss, Ph.D., profesor distinguido y presidente de la UCLA, quien supervisó el trabajo de Gogotsi y codirigió la investigación. . “Creemos que esta es también la clave de sus sorprendentes propiedades. Sin embargo, todavía no sabemos qué funciones químicas son importantes y para qué aplicaciones”.
Las imágenes STM/STS del grupo mostraron características de 10 nanómetros en la superficie de MXene, posiblemente grupos de óxido de titanio y pequeñas protuberancias, dispuestas en una simetría hexagonal distorsionada, que se pensaba que eran grupos funcionales, que se pensaba que eran químicos. como.
Los resultados de este estudio fueron consistentes con datos espectrales y de microscopía de baja resolución teóricos previos sobre la superficie de los MXenes de carburo de titanio, incluida la predicción de que su superficie es metálica. Sin embargo, según el equipo, una mirada más cercana a los defectos superficiales y su naturaleza heterogénea es un paso importante para comprender cómo afectan el comportamiento del material.
“En este trabajo, comenzamos a tirar de los hilos. Pudimos obtener imágenes y asignar algunas funciones químicas”, dijo Weiss. “Uno de los aspectos desconocidos más intrigantes de los MXenes es qué papel desempeñan sus defectos y heterogeneidad en su función y estabilidad ambiental. Ahora tenemos un pie en la puerta para explorar estos roles”.
Aprovechando la experiencia colectiva de los científicos de materiales de Drexel, los grupos STM de UCLA y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y los científicos teóricos de Cal State Northridge, el grupo continuará su análisis riguroso de materiales a medida que modulan su estructura química. para para ajustar su funcionalidad para diferentes usos.
