Mapeado atómico de MXenes: Un nuevo horizonte para los materiales 2D

En la década transcurrida desde su descubrimiento en la Universidad Drexel, la familia de materiales bidimensionales llamados MXenes ha mostrado una gran promesa para aplicaciones que van desde la desalación de agua y el almacenamiento de energía hasta el blindaje electromagnético y las telecomunicaciones, entre otras. Si bien los investigadores han especulado durante mucho tiempo sobre la génesis de su versatilidad, un estudio reciente dirigido por Drexel y la Universidad de California, Los Ángeles, ha proporcionado la primera visión clara de la estructura química superficial que es fundamental para las capacidades de los MXenes.

Utilizando técnicas de imagen avanzadas, conocidas como microscopía de túnel de rastreo (STM) y espectroscopía de túnel de rastreo (STS), el equipo, que también incluye investigadores de la Universidad Estatal de California en Northridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, cartografió la topografía superficial electroquímica del MXene de carburo de titanio, el miembro más estudiado y ampliamente utilizado de la familia. Sus hallazgos, publicados en el quinto número aniversario de la revista Matter de Cell Press, ayudarán a explicar la gama de propiedades que exhiben los miembros de la familia MXene y permitirán a los investigadores adaptar nuevos materiales para aplicaciones específicas.

“Gran parte del potencial de los MXenes proviene de su rica química superficial”, dijo Yury Gogotsi, PhD, Profesor Distinguido de la Universidad y Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, autor principal de la investigación, cuyo grupo de investigación participó en el descubrimiento de los materiales en 2011. “Obtener la primera visión a escala atómica de su superficie, utilizando microscopía de túnel de rastreo, es un desarrollo emocionante que abrirá nuevas posibilidades para controlar la superficie del material y permitir aplicaciones de MXenes en tecnologías avanzadas”.

Aunque los MXenes son materiales bidimensionales, la interacción que es la base de sus propiedades químicas, electroquímicas y catalíticas, ya sea el almacenamiento de energía eléctrica ultrarrápido, la división del agua para producir hidrógeno o el desnatado de urea de la sangre, se inicia por los átomos que forman su capa superficial.

Investigaciones anteriores han proporcionado una visión de menor resolución de la estructura química de las superficies de MXene, utilizando tecnología como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS) y la espectroscopía Raman mejorada con punta (TERS). Estas herramientas ofrecen lecturas indirectas de la composición del material, pero proporcionan poca información sobre las complejidades de su organización superficial.

La microscopía de túnel de rastreo y la espectroscopía de túnel de rastreo, por el contrario, proporcionan información más directa sobre la forma y la composición de la estructura superficial de un material, así como sobre su química y propiedades superficiales.

Estas herramientas utilizan una sonda extremadamente afilada, lo suficientemente sensible como para distinguir un átomo de otro mientras rastrea una superficie plana. La punta de la sonda lleva una carga eléctrica que le permite interactuar con cada átomo a medida que pasa, esta interacción, llamada efecto túnel cuántico, proporciona información sobre los átomos en la superficie del material. Las exploraciones espectroscópicas proporcionan información sobre la composición superficial a nivel atómico y molecular. Las exploraciones se convierten en imágenes, formando mapas topográficos de la superficie del material.

“Con STM/STS, podemos ver los arreglos atómicos en la superficie de los MXenes e incluso estudiar su conductancia con resolución atómica”, dijo Gogotsi. “Esta es la clave para comprender por qué los MXenes tienen propiedades extremas y superan a otros materiales en muchas aplicaciones. También debería ayudarnos a explorar las propiedades cuánticas de los MXenes e identificar nuevas oportunidades para esta familia de materiales en rápida expansión”.

Localizar grupos de átomos, llamados grupos funcionales, identificarlos y medir sus propiedades en la superficie, dado su ubicación y unión específicas, son todos desarrollos importantes para comprender cómo los MXenes interactúan con otras sustancias químicas y materiales, según los investigadores.

“Las superficies de MXene son químicamente heterogéneas. Eso es lo que las hace interesantes y lo que las hace difíciles de estudiar”, dijo Paul Weiss, PhD, profesor distinguido y presidente de la UC en UCLA, quien dirigió la investigación con Gogotsi. “Creemos que también es clave para sus asombrosas propiedades. Sin embargo, todavía no sabemos qué funcionalidades químicas son importantes para qué aplicaciones”.

Las imágenes STM/STS del grupo mostraron características de 10 nanómetros en la superficie del MXene, que probablemente sean cúmulos de óxido de titanio, y protuberancias más pequeñas, dispuestas en una simetría hexagonal distorsionada, que consideraron grupos funcionales, que luego identificaron químicamente.

Los resultados de esta investigación fueron consistentes con las teorías anteriores, la microscopía de menor resolución y los datos espectrales sobre la superficie de los MXenes de carburo de titanio, incluida la predicción de que su superficie es metálica. Sin embargo, obtener una mirada más cercana a los defectos superficiales y la naturaleza de su heterogeneidad es un paso importante para comprender cómo afectan el comportamiento del material, según el equipo.

“En este trabajo, comenzamos a tirar de los hilos. Pudimos obtener imágenes y comenzar a asignar algo de la funcionalidad química”, dijo Weiss. “Uno de los aspectos más interesantes y desconocidos de los MXenes es el papel que juegan sus defectos y heterogeneidad en su función y estabilidad ambiental. Ahora tenemos un pie en la puerta para explorar estos roles”.

Aprovechando la experiencia colectiva de los científicos de materiales de Drexel, los grupos de STM de UCLA y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y los científicos teóricos de Cal State Northridge, el grupo continuará su riguroso análisis de los materiales mientras establece un proceso para modular su composición química para ajustar su funcionalidad para diferentes usos.