p Os pesquisadores há muito procuram materiais condutores de eletricidade para dispositivos econômicos de armazenamento de energia. Cerâmicas bidimensionais (2-D) chamadas MXenes são concorrentes. Ao contrário da maioria das cerâmicas 2-D, MXenes têm boa condutividade inerentemente porque são folhas moleculares feitas de carbonetos e nitretos de metais de transição como o titânio. p MXenes foram co-descobertos por Michael Naguib, agora um Wigner Fellow no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, enquanto fazia seu PhD na Drexel University em 2011. Camadas de MXene podem ser combinadas para criar eletrônicos ultrafinos, sensores, baterias, supercapacitores e catalisadores. Desde então, cerca de 20 MXenes foram relatados.

p Recentemente, Cientistas do ORNL usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura de última geração, ou STEM, forneceu a primeira evidência direta das configurações do defeito atômico em um carbeto de titânio MXene sintetizado na Drexel University. Publicado em ACS Nano , um jornal da American Chemical Society, o estudo combinou caracterização em escala atômica e medições de propriedades elétricas com simulação baseada em teoria.

p "Usando imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de resolução atômica, visualizamos defeitos e clusters de defeitos no MXene que são muito importantes para futuros dispositivos nanoeletrônicos e aplicações catalíticas, "disse o autor principal Xiahan Sang, do Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), um DOE Office of Science User Facility em ORNL.

p "Defeitos de nível atômico podem ser transformados em materiais para permitir novas funcionalidades, "disse o autor sênior Raymond Unocic do CNMS." Entender esses defeitos é fundamental para o avanço dos materiais. "

p Imagens atômicas de diferentes perspectivas foram a chave para revelar a estrutura do MXene. Quando a amostra está alinhada com o feixe de elétrons dentro de um instrumento STEM, o visualizador não pode dizer quantas folhas estão sob a camada superior. Mas simplesmente incline a amostra, e as diferenças aparecem prontamente. Por exemplo, uma camada de múltiplas folhas é feita de átomos empilhados, uma estrutura que forma uma imagem borrada quando a camada é inclinada. O aparecimento de imagens atômicas nítidas sob diferentes condições de inclinação provou inequivocamente a estrutura de camada única do MXene.

p Fácil produção em massa de um bom condutor 2-D

p MXenes são feitos de um cristal em massa tridimensional (3-D) chamado MAX (o "M" denota um metal de transição; "A, " um elemento, como alumínio ou silício, de um grupo químico específico; e "X, "ou carbono ou nitrogênio). Na rede MAX da qual emergiu o MXene explorado neste estudo, três camadas de carboneto de titânio são colocadas entre as camadas de alumínio.

p Os pesquisadores da Drexel aprimoraram uma técnica desenvolvida em 2011 e alterada em 2014 para sintetizar MXene a partir da fase bulk MAX usando ácidos. O método aprimorado é chamado de delaminação de camada minimamente intensiva, ou MILD. "Ao usar o MILD, acabamos com grandes flocos de MXene de alta qualidade, "disse Mohamed Alhabeb, um estudante de doutorado em ciência de materiais na Drexel University, que realizou essa façanha com outro aluno de doutorado, Katherine Van Aken, sob a liderança de um dos co-descobridores do MXenes, Distinto Professor Universitário e Diretor da A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel Yury Gogotsi.

p Para sintetizar flocos MXene independentes, a equipe da Drexel primeiro tratou o bulk MAX com um agente de ataque de sal de fluoreto e ácido clorídrico para remover seletivamente camadas indesejadas de alumínio entre as camadas de carboneto de titânio. Em seguida, eles sacudiram manualmente o material gravado para separar e coletar as camadas de carboneto de titânio. Cada camada tem cinco átomos de espessura e é feita de átomos de carbono unindo três folhas de titânio. O condicionamento e esfoliação MAX produz muitas dessas camadas MXene independentes. Esta técnica relativamente simples pode permitir a produção em escala de manufatura.

p A corrosão cria defeitos - espaços vazios que surgem à medida que os átomos de titânio são puxados das superfícies. "Defeitos" são realmente bons em muitas aplicações de materiais. Eles podem ser introduzidos em um material e manipulados para melhorar seu catalisador útil, propriedades ópticas ou eletrônicas.

p Quanto maior for a concentração de acondicionador, quanto maior o número de defeitos criados, o estudo descobriu. "Temos a capacidade de ajustar a concentração de defeitos, que poderia ser usado para personalizar propriedades físico-químicas para armazenamento de energia e dispositivos de conversão, "Sang disse.

p Além disso, o número de defeitos não afetou fortemente a condutividade elétrica do MXene. No CNMS, Ming-Wei Lin e Kai Xiao mediram as propriedades físicas, incluindo condutividade elétrica, de vários materiais 2-D promissores. Eles descobriram que o MXene era uma ordem de magnitude menos condutiva do que uma folha de grafeno perfeita, mas duas ordens de magnitude mais condutiva do que o dissulfeto de molibdênio metálico.

p Usando modelagem e simulação, Paul Kent e Yu Xie do ORNL calcularam a energia necessária para criar configurações atômicas de defeitos que o STEM de Sang mostrou serem predominantes.

p Em seguida, os pesquisadores planejam ajustar os defeitos ao nível atômico para adaptar comportamentos específicos.