Equipe de pesquisa explora potencial dos MXenes para aplicações de nanotecnologia

Cientistas de materiais da Universidade de Nebraska – Lincoln estão explorando as propriedades físicas dos MXenes, uma família de materiais bidimensionais em rápido crescimento com potencial para muitas aplicações de nanotecnologia.

O trabalho da equipe baseia-se em cerca de duas décadas de pesquisa em grafenos, outra família de materiais 2D com usos importantes em muitos domínios, mas que apresenta algumas deficiências em comparação aos MXenes (pronuncia-se “maxenes”). A pesquisa mais recente da equipe é publicado no diário Matéria.

MXenes são feitos de camadas atomicamente finas de carbonetos, nitretos ou carbonitretos de metais de transição. Eles se originam na chamada fase MAX, cujo nome descreve seus componentes característicos: o “M”, um steel de transição como o titânio ou o cromo; um elemento “A”, tal como alumínio; e o “X”, representando átomos de carbono ou nitrogênio. Os componentes são embalados em uma estrutura em camadas. Para sintetizar MXenes, os químicos usaram soluções ácidas para remover as camadas dos elementos “A”, deixando as outras camadas intactas – uma técnica relativamente simples e de alto rendimento.

Várias dezenas de MXenes com diferentes combinações de elementos “M” e “X” foram sintetizados. A equipe de Nebraska se concentrou em uma versão pouco estudada que contém átomos de cromo, titânio e carbono, disse Alexander Sinitskii, professor de química e pesquisador principal.

“O campo está crescendo rapidamente”, disse Sinitskii.

MXenes provaram ser úteis no armazenamento de energia, purificação de água, proteção contra interferência eletromagnética, aplicações biomédicas e muito mais.

As chaves para a sua utilidade são a sua diversidade química e estrutural, bem como a sua escalabilidade e processabilidade, disse Sinitskii, que também é afiliado ao Centro de Materiais e Nanociências de Nebraska.

MXenes têm uma grande área de superfície e são facilmente ajustáveis. Eles também têm uma forte resposta à luz e são hidrofílicos – atraídos pela água – devido às suas superfícies terminadas em oxigênio e hidroxila.

A equipe de Sinitskii descobriu que o MXene contendo cromo e titânio tem “um certo conjunto de propriedades não visto em outros”. Pesquisas anteriores da equipe de Nebraska sobre outros materiais MXene revelaram seu caráter tipo n (rico em elétrons) e diminuição da condutividade em resposta à luz. Em contraste, o novo materials é o primeiro MXene com propriedades demonstradas do tipo p (deficiente em elétrons) e aumentando a condutividade sob iluminação.

“Essas são características muito incomuns para MXenes”, disse Sinitskii. “Em muitas aplicações eletrônicas, materiais do tipo n e p são necessários e usados ​​em combinação. Os MXenes estudados anteriormente eram todos tipo nmas agora demonstramos o primeiro tipo p MXene. Isto deverá permitir estruturas complexas onde MXenes complementares são usados ​​em conjunto para alcançar novas funcionalidades eletrônicas.”

Sua equipe também conseguiu produzir flocos maiores e mais uniformes do carbeto de cromo/titânio MXene do que os disponíveis anteriormente, o que os torna mais fáceis de pesquisar e usar.

Outros autores são Saman Bagheri, pesquisador associado de pós-doutorado em química; Michael J. Loes, estudante de graduação em química; Haidong Lu, professor assistente de pesquisa, física e astronomia; Rashmeet Khurana, estudante de graduação em química; Md. Ibrahim Kholil, estudante de pós-graduação, química; e Alexei Gruverman, professor Mach de física e astronomia. Os coautores, todos da Escola de Minas e Tecnologia de Dakota do Sul, são Alexey Lipatov, Khimananda Acharya e Tula R. Paudel.