Un nuevo proceso que permite a los científicos cortar y unir químicamente capas nanoscópicas de materiales bidimensionales, como un sastre que modifica un traje, podría ser la herramienta para diseñar la tecnología de un futuro energético sostenible. Investigadores de la Universidad de Drexel, China y Suecia, han desarrollado un método para dividir estructuralmente, editar y reconstituir materiales en capas, llamados fases MAX y MXenes, con el potencial de producir nuevos materiales con composiciones muy inusuales y propiedades excepcionales.

Una « tijera química » es una sustancia química diseñada para reaccionar con un compuesto específico para romper un enlace químico. El juego original de tijeras químicas, diseñado para romper enlaces carbono-hidrógeno en moléculas orgánicas, se informó hace más de una década. En un artículo publicado recientemente en Science, el equipo internacional informó sobre un método para afilar las tijeras para que puedan cortar nanomateriales en capas extremadamente fuertes y estables de una manera que rompa los enlaces atómicos dentro de un solo plano atómico y luego los sustituya con nuevos elementos. alterando fundamentalmente la composición del material en un solo « recorte » químico.

« Esta investigación abre una nueva era en la ciencia de los materiales, que permite la ingeniería atomística de materiales bidimensionales y en capas », dijo Yury Gogotsi, PhD, profesor universitario distinguido y presidente de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien fue autor de la investigación. « Estamos mostrando una manera de ensamblar y desensamblar estos materiales como bloques LEGO, lo que conducirá al desarrollo de nuevos y emocionantes materiales que ni siquiera se había previsto que pudieran existir hasta ahora ».

Gogotsi y sus colaboradores en Drexel han estado estudiando las propiedades de una familia de nanomateriales en capas llamados MXenes, que descubrieron en 2011. Los MXenes comienzan como un material precursor llamado fase MAX; « MAX » es un acrónimo químico que significa las tres capas del material : M, A y X. La aplicación de un ácido fuerte a la fase MAX elimina químicamente la capa A, creando un material en capas más poroso, con un A-menos apodo : MXene.

El descubrimiento se produjo inmediatamente después del entusiasmo mundial por un nanomaterial bidimensional llamado grafeno, postulado como el material más fuerte que existe cuando el equipo de investigadores que lo descubrió ganó el premio Nobel en 2010. El descubrimiento del grafeno amplió la búsqueda de otros materiales atómicamente delgados. materiales con propiedades extraordinarias, como MXenes.

El equipo de Drexel ha estado explorando asiduamente las propiedades de los materiales MXene, lo que ha llevado a descubrimientos sobre su excepcional conductividad eléctrica, durabilidad y capacidad para atraer y filtrar compuestos químicos, entre otros. Pero, de alguna manera, el potencial de MXenes ha estado limitado desde su inicio por la forma en que se producen y el conjunto limitado de fases MAX y grabadores que se pueden usar para crearlos.

« Anteriormente, solo podíamos producir nuevos MXenes ajustando la química de la fase MAX o el ácido utilizado para grabarla », dijo Gogotsi. « Si bien esto nos permitió crear docenas de MXenes y predecir que se podrían crear muchas docenas más, el proceso no permitió una gran cantidad de control o precisión ».

Por el contrario, el proceso que el equipo, dirigido por Gogotsi y Qing Huang, PhD, profesor de la Academia de Ciencias de China, informó en su artículo de Science explica que, « la edición estructural mediada por tijera química de carburos de metales de transición en capas, es más como realizar una cirugía, según Gogotsi.

El primer paso es usar un protocolo de grabado de sal fundida ácida de Lewis (LAMS) que elimina la capa A, como de costumbre, pero también puede reemplazarla con otro elemento, como el cloro. Esto es importante porque pone el material en un estado químico tal que sus capas se pueden cortar usando un segundo juego de tijeras químicas, compuestas de un metal, como el zinc. Estas capas son la materia prima de las fases MAX, lo que significa que la adición de un poco de « mortero » químico, un proceso llamado intercalación, permite que el equipo construya sus propias fases MAX, que luego se pueden usar para crear nuevos MXenes, personalizados para mejorar propiedades específicas.

« Este proceso es como hacer un corte quirúrgico de la estructura MAX, pelar las capas y luego reconstruirla con capas de metal nuevas y diferentes », dijo Gogotsi. « Además de poder producir productos químicos nuevos e inusuales, lo cual es fundamentalmente interesante, también podemos crear fases MAX nuevas y diferentes y usarlas para producir MXenes que se adaptan para optimizar varias propiedades ».

Además de construir nuevas fases MAX, el equipo también informó sobre el uso del método para crear MXenes que pueden albergar nuevos « átomos invitados » que anteriormente no habrían podido acomodar químicamente, ampliando aún más la familia de materiales MXene.

« Esperamos que este trabajo conduzca a una gran expansión del espacio ya muy grande de materiales en capas y bidimensionales », dijo Gogotsi. « Se están volviendo posibles nuevos MXenes que no podrían producirse a partir de los precursores MAX convencionales. Por supuesto, se espera que los nuevos materiales con estructuras y propiedades inusuales permitan nuevas tecnologías ».

El siguiente paso de esta investigación, según Gogotsi, es la deslaminación de carburos en capas bidimensionales y tridimensionales, así como carburos bidimensionales intercalados con metal, en nanoláminas de una o pocas capas. Esto permitirá a los investigadores caracterizar sus propiedades fundamentales para optimizar los nuevos materiales para su uso en almacenamiento de energía, electrónica y otras aplicaciones.