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Desde el primer descubrimiento de una familia de rápido crecimiento de materiales en capas bidimensionales; llamado MXenes-; En 2011, los investigadores de la Universidad de Drexel lograron avances constantes en la comprensión de la compleja composición y estructura química, así como de las propiedades físicas y electroquímicas de estos materiales extraordinariamente versátiles. Más de una década después, instrumentos avanzados y un nuevo enfoque han permitido al equipo escudriñar las capas atómicas para comprender mejor la conexión entre la forma y la función de los materiales.
En un artículo reciente en nanotecnología de la naturalezaInvestigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel y el Instituto de Tecnología de Varsovia y el Instituto de Microelectrónica y Fotónica en Polonia informaron sobre una nueva forma de estudiar los átomos que componen MXenes y sus materiales precursores, las fases MAX, utilizando una técnica llamada espectrometría de masas de iones secundarios. Al hacerlo, el grupo descubrió átomos en lugares inesperados e imperfecciones en los materiales bidimensionales que podrían explicar algunas de sus propiedades físicas únicas. También revelaron la existencia de una subfamilia completamente nueva de MXenes llamados oxicarburos, materiales bidimensionales en los que hasta el 30% de los átomos de carbono se reemplazan por oxígeno.
Este descubrimiento permitirá a los investigadores construir nuevos MXenes y otros nanomateriales con propiedades ajustables más adecuadas para aplicaciones específicas, desde antenas para comunicaciones inalámbricas 5G y 6G y escudos de interferencia electromagnética; a filtros para producción, almacenamiento y separación de hidrógeno; hasta riñones portátiles para pacientes en diálisis.
«Una mejor comprensión de la estructura detallada y la composición de los materiales bidimensionales nos permitirá desbloquear todo su potencial.dijo Yury Gogotsi, PhD, distinguido profesor universitario y universitario de Bach, quien dirigió la investigación de caracterización de MXene.Ahora tenemos una idea más clara de por qué los MXenes se comportan de la forma en que lo hacen y pueden adaptar su estructura y, por lo tanto, su comportamiento, para nuevas aplicaciones importantes».
La espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) es una técnica comúnmente utilizada para estudiar superficies sólidas y películas delgadas y cómo su química cambia con la profundidad. Funciona disparando un haz de partículas cargadas a una muestra, bombardeando los átomos en la superficie del material y expulsándolos; un proceso llamado pulverización catódica. Los iones expulsados se detectan, recogen e identifican por su masa y sirven como indicador de la composición del material.
Si bien SIMS se ha utilizado a lo largo de los años para estudiar materiales multicapa, la resolución de profundidad al sondear la superficie de un material (varios angstroms) ha sido limitada. Un equipo dirigido por Pawel Michalowski, PhD, del Instituto Polaco de Microelectrónica y Fotónica, ha realizado una serie de mejoras en la técnica, incluido el ajuste del ángulo y la energía del haz, cómo se miden los iones expulsados; y limpiar la superficie de las muestras, lo que les permitió atomizar las muestras capa por capa. Esto permitió a los investigadores ver la muestra con una resolución de nivel atómico que antes no era posible.
«La técnica más cercana para analizar películas delgadas y superficies de MXenes es la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, que en Drexel hemos estado utilizando desde el descubrimiento del primer MXene». dijo Mark Anayee, un estudiante graduado en el grupo de Gogotsi. “Mientras que XPS solo nos permitió observar la superficie de los materiales, SIMS nos permite analizar las capas del subsuelo. Nos permite ‘eliminar’ exactamente una capa de átomos a la vez sin perturbar a los que están debajo, brindándonos una imagen mucho más clara que no sería posible con ninguna otra técnica de laboratorio».
A medida que el equipo retiraba la capa superior de átomos, como un arqueólogo que excava con cuidado un nuevo hallazgo, los investigadores comenzaron a discernir las características sutiles del marco químico dentro de las capas de material, revelando la presencia y el posicionamiento inesperados de los átomos, así como diversos defectos e imperfecciones.
“Hemos demostrado la formación de MXenes que contienen oxígeno, los llamados oxicarburos. Esto representa una nueva subfamilia de MXenes: ¡es un gran descubrimiento!» dijo Gogotsi. «Nuestros resultados sugieren que por cada MXene de carburo, hay un MXene de oxicarburo en el que el oxígeno reemplaza algunos átomos de carbono en la estructura reticular».
Debido a que MAX y MXene representan una gran familia de materiales, los investigadores estudiaron sistemas más complejos que involucran múltiples elementos metálicos. Hicieron varias observaciones innovadoras, incluida la mezcla de átomos en carburo de cromo titanio MXene -; que antes se pensaba que estaban separados en capas distintas. Y confirmaron hallazgos previos, como la separación completa de átomos de molibdeno en capas externas y átomos de titanio en capas internas en carburo de molibdeno-titanio.
Según Gogotsi, todos estos hallazgos son importantes para desarrollar MXene con una estructura finamente ajustada y propiedades mejoradas.
«Ahora no solo podemos controlar la composición elemental general de MXenes, sino que también sabemos en qué capas atómicas se encuentran los elementos específicos como el carbono, el oxígeno o los metales.– dijo Gogotsi. «Sabemos que la eliminación de oxígeno ayuda a aumentar la estabilidad ambiental de Titanium Carbide MXene y aumenta su conductividad electrónica. Ahora que entendemos mejor cuánto oxígeno adicional hay en los materiales, podemos ajustar la receta para hacer MXenes que no lo tengan y, por lo tanto, sean más estables en el medio ambiente”.
El equipo también planea explorar formas de separar las capas de cromo y titanio, lo que les ayudará a diseñar MXenes con atractivas propiedades magnéticas. Y ahora que se ha demostrado que la técnica SIMS es efectiva, Gogotsi planea usarla en investigaciones futuras, incluido su reciente esfuerzo de investigación de 3 millones de dólares del Departamento de Energía de EE. UU. en MXenes para el almacenamiento de hidrógeno, un paso importante hacia el desarrollo de una nueva fuente de energía de tecnología sostenible. .
«En muchos sentidos, el estudio de MXenes ha abierto nuevos caminos en la última década», dijo Gogotsi. «Con este nuevo enfoque, tenemos una mejor orientación sobre dónde buscar nuevos materiales y aplicaciones».
Fuente: https://drexel.edu/
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