MXenes, uma classe promissora de materiais 2D com diversas aplicações, enfrentou desafios de fabricação devido a métodos de produção caros, complexos e dispendiosos. Uma nova técnica oferece um método mais eficiente ao sintetizar MXenes átomo por átomo de baixo para cima.
Desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Chicago, da Universidade de Illinois em Chicago e da Universidade Vanderbilt, o estudo foi publicado na revista Nature Synthesis.
MXenes (pronuncia-se “Maxine”) representam uma categoria de materiais bidimensionais que foram descobertos pela primeira vez há apenas 14 anos. MXenes possuem um potencial extraordinário para aplicações em armazenamento de energiacatálise, compósitos leves ultrafortes e vários outros usos, incluindo blindagem eletromagnética e tintas condutoras.
No entanto, a produção de MXenes provou ser cara, desafiadora e excessivamente simplista.
Os MXenes foram feitos por meio de um processo muito elaborado e de várias etapas que envolveu dias de trabalho em alta temperatura, seguido do uso de produtos químicos perigosos como ácido fluorídrico, e gerou muitos resíduos. Isso pode ter sido bom para pesquisas em estágio inicial e exploração de laboratório, mas tornou-se um grande obstáculo para dar o próximo passo para aplicações em larga escala.
Dmitri Talapin, Professor, Escola de Engenharia Molecular e Departamento de Química, Universidade de Chicago Pritzker
O estudo, facilitado pelo NSF Heart for Chemical Innovation on MXenes Synthesis, Tunability and Reactivity (M-STAR), e empregado deposição química de vapor para produzir MXenes que sejam “pelo menos duas ordens de magnitude” mais acessíveis do que aqueles sintetizados por meio de técnicas convencionais, de acordo com Talapin, Professor Distinto de Serviço da UChicago Ernest DeWitt Burton.
“O que é interessante neste artigo é que se trata de uma nova forma de fazer síntese química, utilizando um novo conjunto de precursores orgânicos, que nos permite obter estes materiais 2D de forma mais eficiente.”, disse De-en Jiang, professor H. Eugene McBrayer e coautor do estudo, Engenharia Química, na Universidade Vanderbilt.
A técnica inovadora de produção desse materials avançado foi influenciada por um artigo pouco conhecido de autoria de um renomado químico, publicado em 1986.
“Deparamo-nos com um artigo esquecido do grande John Corbett, da Iowa State College, que poucas pessoas conheciam e que mostrava a química que considerámos inspiradora para o desenvolvimento das nossas ideias”, disse Talapin.
A pesquisa de Corbett delineou uma técnica para sintetizar carboneto de cloreto de zircônio em camadas, que apresenta semelhanças estruturais com outro materials que foi introduzido pela primeira vez 25 anos depois – o MXene.
MXenes consistem em camadas de metais de transição que são tão finas no nível atômico que são caracterizadas com mais precisão como bidimensionais, desenvolvidas por pesquisadores da Universidade Drexel em 2011. Cientistas de todo o mundo estão explorando suas aplicações potenciais em armazenamento de energia, catalisadores industriais, proteção contra interferência eletromagnética, optoeletrônica e vários outros campos inovadores.
“Os MXenes são amplamente explorados, especialmente para aplicações de armazenamento de energia, porque consistem em camadas bidimensionais condutoras que podem hospedar íons entre elas. Eles também têm grupos de superfície ajustáveis, que podem ser adaptados quimicamente para controlar quais íons são armazenados, quão favorável é esse armazenamento e quão eficientemente os íons fluem para dentro e para fora das camadas.”, disse Noah Mason, estudante de doutorado, coautor do estudo e pesquisador graduado da NSF.
É como tentar esculpir um livro em um bloco de madeira. Nosso novo método constrói esse livro da maneira que deveria ser feito – página por página.
Robert Klie, coautor do estudo e professor, chefe do Departamento de Física, Universidade de Illinois, Chicago
Por trás da síntese
A adaptação dos métodos de síntese descritos no artigo de Corbett, fazendo a transição de metais como o zircônio para o titânio presente nos MXenes mais prevalentes, resultou em uma publicação em Ciência em 2023. No entanto, numerosos desafios permaneceram antes que a técnica pudesse ser amplamente implementada.
“No artigo de 2023, não mostramos um rendimento ou pureza muito alto dos MXenes em nosso produto remaining. Não conseguimos ultrapassar 60 por cento em peso. Neste artigo, alcançamos 90 por cento em peso. Não apenas descobrimos uma nova reação, mas começamos a aprender sobre o segredo por trás da síntese”, disse Di Wang, o primeiro autor dos artigos de 2023 e 2025.
Segurança e custo eram preocupações significativas, disse Wang, que period Ph.D. estudante da UChicago no laboratório de Talapin durante a pesquisa, e atualmente é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Princeton.
Por exemplo, o precursor químico utilizado naquele estudo anterior – tetracloreto de titânio – é altamente reativo, e o pesquisador Wang lembra que ele gravou as seringas plásticas da pipeta enquanto tentava usá-las. A nova pesquisa emprega tetracloroetileno, um produto químico acessível e estável, que o torna comumente usado para extrair cafeína de grãos de café para bebidas descafeinadas.
Talapin afirmou que a investigação baseada no trabalho de Corbett quatro décadas mais tarde demonstra a importância da investigação exploratória pura – ciência conduzida por si só, permitindo que futuros cientistas descubram aplicações práticas para os resultados.
A equipe M-STAR está bem posicionada para ajudar. O consórcio permite que os químicos usem a química inorgânica tradicional, nanossíntese, catálise ou outras abordagens novas e interdisciplinares, juntamente com modelagem computacional e simulações, para atacar problemas de diferentes ângulos..
De-en Jiang, professor H. Eugene McBrayer e coautor de estudo, Engenharia Química, Universidade Vanderbilt
“A M-STAR CCI é pioneira em uma abordagem onde o químico está na frente e no centro. Eles usarão o MXenes como uma plataforma para impulsionar a inovação na química, trabalhando em conjunto com cientistas de materiais, físicos e engenheiros químicos na equipe.”, disse Jiang.
Referência do periódico:
Wang, D., e outros. (2025) Organohalogenetos moleculares como precursores gerais para síntese direta de MXenes de carboneto de steel de transição bidimensional. Síntese da Natureza. DOI:10.1038/s44160-025-00946-w. https://www.nature.com/articles/s44160-025-00946-w