En la década transcurrida desde su descubrimiento en la Universidad de Drexel, una familia de materiales bidimensionales llamados MXenes ha mostrado aplicaciones prometedoras que van desde la desalinización de agua y el almacenamiento de energía hasta el blindaje electromagnético y las telecomunicaciones. Si bien los investigadores han especulado durante mucho tiempo sobre la génesis de su versatilidad, un estudio reciente dirigido por Drexel y la Universidad de California en Los Ángeles ha proporcionado la primera idea clara de la química de la superficie que subyace a las capacidades de los MXenes.
Utilizando técnicas de imagen avanzadas 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 Northridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, mapeó la topografía electroquímica de la superficie del carburo de titanio MXene. — el miembro de la familia más estudiado y más utilizado. Sus hallazgos se publican en la edición del quinto aniversario de la revista Cell Press. Asuntoayudará a explicar la gama de propiedades que ofrecen los miembros de la familia MXene y permitirá a los investigadores adaptar nuevos materiales para aplicaciones específicas.
«Gran parte del potencial de los MXenes se debe a su rica química superficial», dijo Yuriy Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y Profesor Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, autor principal del estudio, cuyo grupo de investigación contribuyó al descubrimiento de los materiales en 2011. «Obtener la primera vista a escala atómica de su superficie mediante microscopía de efecto túnel es un desarrollo apasionante que abrirá nuevas posibilidades para el control de la superficie del material y la aplicación de MXenes en tecnologías avanzadas».
Aunque los MXenes son materiales bidimensionales, las interacciones que subyacen a sus propiedades químicas, electroquímicas y catalíticas (ya sea el almacenamiento ultrarrápido de energía eléctrica, la división del agua para producir hidrógeno o la eliminación de urea de la sangre) son iniciadas por los átomos que los componen. capa superficial.
Estudios anteriores han proporcionado una vista de menor resolución de la estructura química de las superficies MXene utilizando tecnologías 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 composición de un material, pero proporcionan poca información sobre la complejidad de su organización superficial.
Por el contrario, la microscopía de efecto túnel y la espectroscopia de efecto túnel proporcionan información más directa sobre la forma y composición de la estructura de la superficie de un material, así como sobre la química y las propiedades de la superficie.
Estas herramientas utilizan una sonda extremadamente 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 su paso, una interacción llamada túnel cuántico que proporciona información sobre los átomos en la superficie del material. El escaneo espectroscópico proporciona información sobre la composición de la superficie a nivel atómico y molecular. Las imágenes escaneadas se convierten en imágenes, creando mapas topográficos de la superficie del material.
«Utilizando STM/STS, podemos ver las disposiciones atómicas en la superficie de los MXenes e incluso estudiar su conductividad con resolución atómica», dijo Gogotsi. «Esta es la clave para comprender por qué los MXenes tienen propiedades extraordinarias y superan a otros materiales en muchas aplicaciones. También debería ayudarnos a explorar las propiedades cuánticas de los MXenes e identificar nuevas oportunidades para esta familia de materiales en rápido crecimiento».
Según los investigadores, localizar grupos de átomos llamados grupos funcionales y medir sus propiedades en la superficie en términos de su ubicación específica y unión son eventos importantes para comprender cómo los MXenes interactúan con otros químicos y materiales.
«Las superficies MXene son químicamente heterogéneas. Esto las hace interesantes y difíciles de estudiar», afirmó Paul Weiss, PhD, profesor distinguido y presidente de la UCLA, quien dirigió la investigación con Gogotsi. «Creemos que esta es también la clave de sus sorprendentes propiedades. Sin embargo, todavía no sabemos qué funciones químicas son importantes para cada aplicación».
Las imágenes STM/STS del equipo mostraron características de 10 nanómetros en la superficie del MXene que probablemente eran grupos de óxido de titanio y protuberancias más pequeñas dispuestas en simetría hexagonal distorsionada, que creían que eran grupos funcionales que luego identificaron químicamente.
Los resultados de este estudio fueron consistentes con teorías anteriores, microscopía de menor resolución y datos espectrales sobre la superficie de los MXenes de carburo de titanio, incluidas las predicciones de que su superficie es metálica. Sin embargo, según el equipo, una mirada más cercana a los defectos de la superficie y la naturaleza de su falta de homogeneidad es un paso importante para comprender cómo afectan el comportamiento del material.
«Con este trabajo, comenzamos a mover los hilos. Pudimos construir una imagen y comenzar a asignar algunas de las funciones químicas», dijo Weiss. «Uno de los aspectos desconocidos más interesantes de los MXenes es el papel de sus defectos y la heterogeneidad en su función y estabilidad ambiental. Ahora tenemos un pie en la puerta para explorar estos papeles».
Aprovechando la experiencia colectiva de los científicos de materiales de Drexel, el grupo STM de UCLA y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkley, y los científicos teóricos de Cal State Northridge, el grupo continuará con el análisis riguroso de los materiales mediante el desarrollo de un proceso para modular su composición química. para adaptar su funcionalidad a diferentes aplicaciones.
