Os cientistas cujo trabalho é testar os limites do que a natureza - especificamente a química - permitirá que exista, acabou de abrir um novo imóvel na Tabela Periódica. Usando um método que eles inventaram para juntar camadas elementares díspares em um material estável com uniforme, propriedades previsíveis, Os pesquisadores da Drexel University estão testando uma série de novas combinações que podem expandir amplamente as opções disponíveis para criar mais rapidamente, menor, armazenamento de energia mais eficiente, eletrônica avançada e materiais resistentes ao desgaste.

Liderado pelo pesquisador de pós-doutorado Babak Anasori, PhD, uma equipe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel criou o método de fabricação de materiais, que pode ensanduichar folhas 2-D de elementos que de outra forma não poderiam ser combinados de forma estável. E eles provaram sua eficácia criando dois novos, materiais bidimensionais em camadas usando molibdênio, titânio e carbono.

"Por 'ensanduichar' uma ou duas camadas atômicas de um metal de transição como o titânio, entre camadas monoatômicas de outro metal, como o molibdênio, com átomos de carbono mantendo-os juntos, descobrimos que um material estável pode ser produzido, "Disse Anasori." Era impossível produzir um material 2-D com apenas três ou quatro camadas de molibdênio em tais estruturas, mas porque adicionamos a camada extra de titânio como um conector, fomos capazes de sintetizá-los. "

A descoberta, que foi publicado recentemente no jornal ACS Nano , é significativo porque representa uma nova maneira de combinar materiais elementares para formar os blocos de construção da tecnologia de armazenamento de energia, como baterias, capacitores e supercapacitores, bem como compostos superfortes - como os usados ​​em capas de telefone e armaduras corporais. Cada nova combinação de camadas com a espessura de um átomo apresenta novas propriedades e os pesquisadores suspeitam que, ou mais, desses novos materiais exibirão armazenamento de energia e propriedades de durabilidade tão desproporcionais ao seu tamanho que podem revolucionar a tecnologia no futuro.

"Embora seja difícil dizer, neste ponto, exatamente o que será dessas novas famílias de materiais 2-D que descobrimos, é seguro dizer que esta descoberta permite que o campo da ciência dos materiais e da nanotecnologia se mova para um território desconhecido, "Anasori disse.

Materiais de Masterização

Combinar folhas bidimensionais de elementos de uma forma organizada para produzir novos materiais tem sido o objetivo dos pesquisadores de nanomateriais da Drexel por mais de uma década. Impor esse tipo de organização no nível atômico não é uma tarefa fácil.

“Pela sua estrutura e carga elétrica, certos elementos simplesmente não "gostam" de ser combinados, "Anasori disse." É como tentar empilhar ímãs com os pólos voltados para a mesma direção - você não vai ter muito sucesso e vai pegar muitos ímãs voadores. "

Mas os pesquisadores da Drexel descobriram uma maneira inteligente de contornar esse desafio da química. Começa com um material chamado fase MAX, que foi descoberto pelo ilustre professor Michel W. Barsoum, PhD, chefe do Grupo de Pesquisa MAX / MXene, mais de duas décadas atrás. A fase MAX é como o lodo primordial que gerou os primeiros organismos - todos os elementos do produto acabado estão na fase MAX, esperando que os pesquisadores imponham alguma ordem.

Essa ordem foi imposta por Michel W. Barsoum, PhD e Yury Gogotsi, PhD, Distinto professor universitário e curador da Faculdade de Engenharia e chefe do Grupo de Nanomateriais Drexel, quando eles criaram um estábulo, bidimensional, material em camadas denominado MXene em 2011.

Para criar MXenes, os pesquisadores extraem seletivamente camadas de átomos de alumínio de um bloco da fase MAX, gravando-os com um ácido.

"Pense na síntese do MXene como separar camadas de madeira mergulhando uma folha de madeira compensada em um produto químico que dissolve a cola, "Anasori disse." Ao colocar uma fase MAX no ácido, temos sido capazes de remover seletivamente certas camadas e transformar a fase MAX em muitas folhas 2-D finas, que chamamos de MXenes. "

No que diz respeito aos materiais de armazenamento de energia, MXenes foi uma revelação. Antes de sua descoberta, grafeno, que é uma única folha de átomos de carbono, foi o primeiro material bidimensional a ser elogiado por sua capacidade potencial de armazenamento de energia. Mas, como era composto de apenas um elemento, carbono, O grafeno era difícil de modificar na forma e, portanto, tinha capacidades limitadas de armazenamento de energia. Os novos MXenes têm superfícies que podem armazenar mais energia.

Um Impasse Elemental

Quatro anos depois, os pesquisadores trabalharam seu caminho através da seção da Tabela Periódica com elementos chamados "metais de transição, "produzindo fases MAX e gravando-as em MXenes de várias composições ao mesmo tempo em que testava suas propriedades de armazenamento de energia.

A descoberta de Anasori ocorre em um momento em que o grupo encontrou um obstáculo em seu progresso através da tabela de elementos.

"Tínhamos chegado a um certo impasse, ao tentar produzir um molibdênio contendo MXenes, "Anasori disse." Ao adicionar titânio à mistura, conseguimos fazer uma fase MÁXIMA de molibdênio ordenada, onde os átomos de titânio estão no centro e o molibdênio na parte externa.

A Próxima Fronteira

Agora, com a ajuda de cálculos teóricos feitos por pesquisadores do FIRST Energy Frontier Research Center no Oak Ridge National Laboratory, A equipe de Drexel sabe disso, em princípio, ele pode usar este método para fazer até 25 novos materiais com combinações de metais de transição, como molibdênio e titânio, que anteriormente não teria sido tentado.

"Ter a possibilidade de colocar diferentes elementos em camadas na forma mais fina de material conhecida pela comunidade científica leva a novas estruturas interessantes e permite um controle sem precedentes sobre as propriedades dos materiais, "Barsoum disse." Este novo método de estratificação dá aos pesquisadores um número inimaginável de possibilidades para ajustar as propriedades dos materiais para uma variedade de aplicações de alta tecnologia. "

Anasori planeja fazer mais materiais substituindo o titânio por outros metais, como vanádio, nióbio, e tântalo, que poderia desenterrar uma veia de novas propriedades físicas que suportam o armazenamento de energia e outras aplicações.

"Este nível de complexidade estrutural, ou camadas, em materiais 2-D tem o potencial de levar a muitas novas estruturas com controle exclusivo sobre suas propriedades, "Gogotsi disse." Vemos possíveis aplicações em termelétricas, baterias, catálise, células solares, dispositivos eletrônicos, compósitos estruturais e muitos outros campos, permitindo um novo nível de engenharia na escala atômica. "