En medio de una oleada de investigaciones en las últimas dos décadas centradas en las propiedades especiales de las estructuras que son solo un átomo o dos de espesor, llamadas materiales "bidimensionales", los investigadores de la Universidad de Drexel han estado descubriendo constantemente las propiedades excepcionales de una familiade estos materiales, llamados MXenes. Los investigadores ahora saben que los MXenes son altamente conductivos y extremadamente duraderos, pueden bloquear la interferencia electromagnética, detectar sustancias químicas en el aire, eliminar la sal del agua y capturar hidrógeno.involucrados en el futuro del almacenamiento de energía, la comunicación inalámbrica y la tecnología portátil, pero antes de que eso suceda, los investigadores deben comprender por qué los MXenes pueden hacer lo que hacen y cómo pueden diseñarse para hacerlo mejor.
Como materiales bidimensionales, los MXenes se definen en gran medida por sus superficies, sin embargo, los investigadores están en las primeras etapas de medir directamente cómo la química de la superficie de MXenes influye en su rendimiento. Investigadores del Grupo de Caracterización Dinámica de la Facultad de Ingeniería de Drexel abordaron esto recientementepregunta en el diario Comunicaciones de la naturaleza . Su estudio sugiere que diseñar los átomos unidos a las superficies de MXenes y las moléculas entre sus capas podría mejorar dramáticamente varias propiedades de los materiales.
En su examen de la química de la superficie de MXene, las investigaciones se basaron en una nueva técnica de microscopía electrónica, desarrollada en Drexel en 2016, que permite una medición sin precedentes de la química de la superficie que define las propiedades en tiempo real.
"Si bien la idea de controlar las propiedades de MXene cambiando la terminación de la superficie y la intercalación siempre ha sido un objetivo clave en el avance de estos materiales, somos los primeros en lograr directamente este objetivo y sentar las bases para diseñar estos materiales para mejorar la conductividad y explorarla posibilidad de desarrollar MXenes semiconductores, magnéticos y aislantes topológicamente ", dijo Mitra Taheri, PhD, profesora de Hoeganaes y directora del Grupo de Caracterización Dinámica, el autor principal del estudio." El santo grial es tener control sobre lo que sucede 'entrelas hojas ", por así decirlo. Estamos demostrando un paso importante hacia la ingeniería de terminación mediante el uso de nuevas técnicas TEM in situ y nuestra tecnología de espectroscopía de detección directa".
Los MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas relacionadas químicamente, dejando una pila de escamas bidimensionales. Basado en el exactoEl agente químico utilizado, las especies atómicas que quedan unidas a las superficies de las escamas, las especies de terminación, y las moléculas que quedan atrapadas entre las escamas, los intercalantes, variarán. Los investigadores han especulado que la interacción entre el MXene, la terminaciónespecies y especies de intercalación tienen algo que ver con la conductividad de MXenes.
Ahora lo han confirmado.
Se han producido unos 30 tipos diferentes de MXenes en Drexel, y este estudio analizó el comportamiento de tres que se exploran con frecuencia para aplicaciones. El objetivo de los investigadores era medir la conductividad de estos materiales antes de ser probados, y luegovigílelo a medida que se eliminan los intercalantes y se altera la química superficial de los copos.
Para hacer esto, el equipo calentó gradualmente los materiales en el vacío a temperaturas de hasta 775 grados Celsius. Durante el proceso de calentamiento, el equipo monitoreó tanto la resistencia electrónica del material, una forma de determinar su conductividad, comoademás de observar la disipación química, o la desintercalación, del intercalante en tiempo real. Para realizar estas mediciones, los investigadores utilizaron una técnica que habían desarrollado previamente, llamada espectroscopía de pérdida de energía electrónica de detección directa, que es ideal para monitorear productos químicoscambios en materiales 2D.
El mismo proceso fue capaz de monitorear y estudiar la liberación de los átomos de terminación de la superficie de las escamas de MXene. En ambos casos, las mediciones de la resistencia eléctrica del material revelaron que se volvieron más conductoras a medida que las especies de terminación y los intercalantes eraneliminado
"En nuestro estudio, comenzamos con MXenes que tenían una mezcla de especies de terminación de oxígeno, hidróxido y flúor, y demostramos que a medida que eliminas parcialmente estos grupos de terminación de superficie, la conductividad aumenta significativamente. Esto también es cierto cuando el agua ylas moléculas orgánicas se desintercalan ", dijo Jamie Hart, investigador doctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor de la investigación." Es importante probar estos materiales en el microscopio electrónico y medirlos con espectroscopía de pérdida de energía electrónica.pudieron establecer una relación causal entre la intercalación y la pérdida de terminación y una conductividad mejorada "
Aunque esto confirma una teoría que se ha especulado durante algún tiempo, Hart señala que ha sido casi imposible inducir, rastrear y medir con precisión los efectos de estos cambios químicos hasta ahora. Por lo tanto, este descubrimiento es significativo no solo porque muestrala fuente del comportamiento de MXenes, pero también cómo se puede alterar el comportamiento.
"La mayoría de los estudios experimentales que analizan MXenes están orientados a una aplicación específica, por ejemplo, utilizar MXene para fabricar una batería y optimizar la fabricación y el diseño para maximizar el rendimiento de la batería", dijo Hart. "Nuestro estudio hace preguntas fundamentales sobre las propiedadesde MXenes y nuestros hallazgos proporcionan pautas claras sobre cómo mejorar la conductividad en MXenes, lo que debería traducirse directamente en un mejor rendimiento para aplicaciones como antenas y blindaje de interferencia electromagnética ".
Los hallazgos son un paso importante hacia la optimización de MXenes para diversas aplicaciones: la electrónica portátil, el almacenamiento de energía y el blindaje de interferencia electromagnética, se encuentran entre los que se encuentran en el horizonte, así como comprender cómo hacerlos estables en condiciones atmosféricas durante períodos prolongados detambién señalan el camino hacia la creación de MXenes magnéticos que podrían usarse para dispositivos de almacenamiento de datos.
"Este tipo de investigación es fundamental para el desarrollo de MXenes y su eventual integración en los dispositivos que mejoran nuestra vida cotidiana", dijo Kanit Hantanasirisakul, candidato a doctorado en la Facultad de Ingeniería de Drexel y coautor deel estudio "Será emocionante seguir el progreso de MXenes ahora que tenemos una mejor comprensión de cómo controlar sus propiedades".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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