Los científicos cuyo trabajo es probar los límites de lo que la naturaleza, específicamente la química, permitirá existir, simplemente se instalaron en un nuevo inmueble en la Tabla Periódica. Usando un método que inventaron para unir capas elementales disparesEn un material estable con propiedades uniformes y predecibles, los investigadores de la Universidad de Drexel están probando una serie de nuevas combinaciones que pueden ampliar enormemente las opciones disponibles para crear un almacenamiento de energía más rápido, más pequeño y más eficiente, electrónica avanzada y materiales resistentes al desgaste.
Dirigido por el investigador postdoctoral Babak Anasori, PhD, un equipo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel creó el método de fabricación de materiales, que puede emparejar hojas 2-D de elementos que de otro modo no podrían combinarse de manera estable. Ydemostraron su efectividad al crear dos materiales bidimensionales en capas completamente nuevos con molibdeno, titanio y carbono.
"Al 'intercalar' una o dos capas atómicas de un metal de transición como el titanio, entre capas monoatómicas de otro metal, como el molibdeno, con átomos de carbono que las mantienen juntas, descubrimos que se puede producir un material estable", dijo Anasori"Era imposible producir un material 2-D que tuviera solo tres o cuatro capas de molibdeno en tales estructuras, pero debido a que agregamos la capa extra de titanio como conector, pudimos sintetizarlas".
El descubrimiento, que se publicó recientemente en la revista ACS Nano , es significativo porque representa una nueva forma de combinar materiales elementales para formar los bloques de construcción de la tecnología de almacenamiento de energía, como baterías, condensadores y supercondensadores, así como compuestos súper fuertes, como los que se usan en las cajas y el cuerpo del teléfonoCada nueva combinación de capas gruesas de átomos presenta nuevas propiedades y los investigadores sospechan que uno o más de estos nuevos materiales exhibirán propiedades de almacenamiento de energía y durabilidad tan desproporcionadas a su tamaño que podrían revolucionar la tecnología en el futuro.
"Si bien es difícil decir, en este momento, exactamente qué será de estas nuevas familias de materiales 2-D que hemos descubierto, es seguro decir que este descubrimiento permite que el campo de la ciencia de los materiales y la nanotecnología avanceun territorio inexplorado ", dijo Anasori.
Materiales de masterización
Combinar láminas de elementos bidimensionales de manera organizada para producir nuevos materiales ha sido el objetivo de los investigadores de nanomateriales Drexel durante más de una década. Imponer este tipo de organización a nivel atómico no es una tarea fácil.
"Debido a su estructura y carga eléctrica, a ciertos elementos simplemente no les gusta que se combinen", dijo Anasori. "Es como tratar de apilar imanes con los polos orientados en la misma dirección; no vas aten mucho éxito y estarás recogiendo muchos imanes voladores "
Pero los investigadores de Drexel idearon una forma inteligente de sortear este desafío químico. Comienza con un material llamado fase MAX, que fue descubierto por el distinguido profesor Michel W. Barsoum, PhD, jefe del Grupo de Investigación MAX / MXene, másque hace dos décadas. Una fase MAX es como el exudado primordial que generó los primeros organismos: todos los elementos del producto terminado están en la fase MAX, esperando que los investigadores impongan algún orden.
Esa orden fue impuesta por Michel W. Barsoum, PhD y Yury Gogotsi, PhD, Profesor Distinguido de la Universidad y Fiduciario del Colegio de Ingeniería y jefe del Grupo de Nanomateriales Drexel, cuando crearon por primera vez una capa estable, bidimensional y en capas.material llamado MXene en 2011.
Para crear MXenes, los investigadores extraen selectivamente capas de átomos de aluminio de un bloque de fase MAX al grabarlas con un ácido.
"Piense en la síntesis de MXene como separar capas de madera sumergiendo una lámina de madera contrachapada en un químico que disuelve el pegamento", dijo Anasori. "Al poner una fase MAX en ácido, hemos podido grabar selectivamente ciertas capas y girarla fase MAX en muchas hojas delgadas en 2-D, que llamamos MXenes ".
En lo que respecta a los materiales de almacenamiento de energía, los MXenes fueron una revelación. Antes de su descubrimiento, el grafeno, que es una sola lámina de átomos de carbono, fue el primer material bidimensional que se promocionó por sus capacidades potenciales de almacenamiento de energía. Pero,Como estaba compuesto de un solo elemento, el carbono, el grafeno era difícil de modificar en forma y, por lo tanto, tenía capacidades limitadas de almacenamiento de energía. Los nuevos MXenes tienen superficies que pueden almacenar más energía.
Un impasse elemental
Cuatro años más tarde, los investigadores se abrieron camino a través de la sección de la Tabla Periódica con elementos llamados "metales de transición", produciendo fases MAX y grabándolas en MXenes de varias composiciones mientras probaban sus propiedades de almacenamiento de energía.
El descubrimiento de Anasori se produce en un momento en que el grupo ha encontrado un obstáculo en su progreso a través de la tabla de elementos.
"Habíamos llegado a un punto muerto cuando intentamos producir un molibdeno que contiene MXenes", dijo Anasori. "Al agregar titanio a la mezcla, logramos hacer una fase MAX de molibdeno ordenada, donde los átomos de titanio están en el centro yel molibdeno en el exterior
La próxima frontera
Ahora, con la ayuda de cálculos teóricos realizados por investigadores del FIRST Energy Frontier Research Center en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el equipo de Drexel sabe que, en principio, puede usar este método para fabricar hasta 25 materiales nuevos con combinacionesde metales de transición, como el molibdeno y el titanio, que anteriormente no se habrían intentado.
"Tener la posibilidad de superponer diferentes elementos en la forma más delgada de material conocido por la comunidad científica conduce a nuevas estructuras emocionantes y permite un control sin precedentes sobre las propiedades de los materiales", dijo Barsoum. "Este nuevo método de estratificación ofrece a los investigadores un número inimaginable de posibilidadespara ajustar las propiedades de los materiales para una variedad de aplicaciones de alta tecnología "
Anasori planea fabricar más materiales reemplazando el titanio con otros metales, como vanadio, niobio y tántalo, que podrían descubrir una veta de nuevas propiedades físicas que respaldan el almacenamiento de energía y otras aplicaciones.
"Este nivel de complejidad estructural, o estratificación, en materiales 2-D tiene el potencial de conducir a muchas estructuras nuevas con un control único sobre sus propiedades", dijo Gogotsi. "Vemos posibles aplicaciones en termoeléctrica, baterías, catálisis, solarcélulas, dispositivos electrónicos, compuestos estructurales y muchos otros campos, lo que permite un nuevo nivel de ingeniería a escala atómica ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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