p Em meio a uma onda de pesquisas nas últimas duas décadas com foco nas propriedades especiais de estruturas que têm apenas um ou dois átomos de espessura, chamados de materiais "bidimensionais", pesquisadores da Drexel University têm descoberto continuamente as propriedades excepcionais de uma família desses materiais, chamado MXenes. Os pesquisadores agora sabem que MXenes são altamente condutores e extremamente duráveis, eles podem bloquear a interferência eletromagnética, sentir produtos químicos no ar, remova o sal da água, e capturar o hidrogênio. Eles fizeram um caso forte para se envolver no futuro do armazenamento de energia, comunicação sem fio e tecnologia vestível. Mas antes que isso aconteça, os pesquisadores precisam entender por que os MXenes podem fazer o que fazem - e como podem ser projetados para fazer melhor. p Como materiais bidimensionais, MXenes são amplamente definidos por suas superfícies, no entanto, os pesquisadores estão nos estágios iniciais de medir diretamente como a química da superfície dos MXenes influencia seu desempenho. Pesquisadores do Grupo de Caracterização Dinâmica da Faculdade de Engenharia de Drexel abordaram recentemente esta questão no jornal Nature Communications . O estudo sugere que a engenharia dos átomos ligados às superfícies dos MXenes e das moléculas entre suas camadas pode melhorar dramaticamente várias propriedades dos materiais.

p Em seu exame da química de superfície MXene, as pesquisas se basearam em uma nova técnica de microscopia eletrônica - desenvolvida na Drexel em 2016 - que permite a medição sem precedentes da química da superfície que define as propriedades em tempo real.

p "Embora a ideia de controlar as propriedades do MXene alterando sua terminação e intercalação de superfície sempre foi um objetivo principal no avanço desses materiais, somos os primeiros a atingir diretamente esse objetivo e lançar as bases para a engenharia desses materiais para melhorar a condutividade e explorar a possibilidade de desenvolver semicondutores, MXenes magnéticos e topologicamente isolantes, "disse Mitra Taheri, Ph.D., Professor Hoeganaes e chefe do Grupo de Caracterização Dinâmica, o principal autor do estudo. "O Santo Graal é ter controle sobre o que se passa entre os lençóis, ' por assim dizer. Estamos demonstrando um grande passo em direção à engenharia de terminação por meio do uso de novas técnicas de TEM in-situ e nossa tecnologia de espectroscopia de detecção direta. "

p MXenes, que foram descobertos pela primeira vez na Drexel em 2011, são feitos por decapagem química de um material cerâmico em camadas chamado de fase MAX, para remover um conjunto de camadas quimicamente relacionadas, deixando uma pilha de flocos bidimensionais. Com base no condicionador químico exato usado, as espécies atômicas que permanecem ligadas às superfícies dos flocos - as espécies de terminação - e as moléculas que ficam presas entre os flocos - os intercalantes - variam. Os pesquisadores especularam que a interação entre o MXene, espécies de terminação, e as espécies de intercalação têm algo a ver com a condutividade de MXenes.

p Agora eles confirmaram.

p Cerca de 30 tipos diferentes de MXenes foram produzidos em Drexel, e este estudo analisou o comportamento de três que são frequentemente explorados para aplicações. O objetivo dos pesquisadores era medir a condutividade desses materiais antes de serem testados, e então monitorá-lo à medida que os intercalantes foram removidos e a química da superfície dos flocos foi alterada.

p Para fazer isso, a equipe aqueceu gradativamente os materiais no vácuo a temperaturas de até 775 graus Celsius. Durante o processo de aquecimento, a equipe monitorou tanto a resistência eletrônica do material - uma forma de determinar sua condutividade - como também observou a dissipação química, ou de-intercalação, do intercalante em tempo real. Para fazer essas medições, os pesquisadores usaram uma técnica que desenvolveram anteriormente, chamada espectroscopia de perda de energia de elétrons de detecção direta, que é ideal para monitorar mudanças químicas em materiais 2-D.

p O mesmo processo foi capaz de monitorar e estudar a liberação dos átomos de terminação da superfície dos flocos de MXene. Em ambos os casos, medidas da resistência elétrica do material, revelou que eles se tornaram mais condutores conforme os intercalantes e as espécies de terminação eram eliminados.

p "Em nosso estudo, começamos com MXenes que tinha uma mistura de oxigênio, hidróxido, e espécies de terminação de flúor, e mostramos que, conforme você remove parcialmente esses grupos de terminação de superfície, a condutividade aumenta significativamente. Isso também é verdade, pois a água e as moléculas orgânicas são desintercaladas, "disse Jamie Hart, pesquisador doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e autor da pesquisa. "Importante, testando esses materiais no microscópio eletrônico e medindo-os com espectroscopia de perda de energia de elétrons, fomos capazes de estabelecer uma relação causal entre intercalação e perda de terminação e melhor condutividade. "

p Embora isso confirme uma teoria que tem sido especulada há algum tempo, Hart observa que tem sido quase impossível induzir com precisão, rastrear e medir os efeitos dessas mudanças químicas até agora. Portanto, esta descoberta é significativa não apenas porque mostra a origem do comportamento de MXenes, mas também como o comportamento pode ser alterado.

p "A maioria dos estudos experimentais olhando para MXenes são voltados para uma aplicação específica, por exemplo, usando MXene para fazer uma bateria e otimizando a fabricação e design para maximizar o desempenho da bateria, "Hart disse." Nosso estudo faz perguntas fundamentais sobre as propriedades de MXenes e nossas descobertas fornecem diretrizes claras sobre como melhorar a condutividade em MXenes, que deve se traduzir diretamente em melhor desempenho para aplicativos como antenas e proteção contra interferência eletromagnética. "

p As descobertas são um passo importante para otimizar MXenes para várias aplicações - eletrônicos vestíveis, armazenamento de energia e proteção contra interferência eletromagnética, estão entre os que estão no horizonte - além de compreender como torná-los estáveis ​​em condições atmosféricas por longos períodos de tempo. Eles também apontam o caminho para a criação de MXenes magnéticos que podem ser usados ​​para dispositivos de armazenamento de dados.

p "Este tipo de pesquisa é fundamental para o desenvolvimento de MXenes e sua eventual integração nos dispositivos que melhoram nosso dia-a-dia, "disse Kanit Hantanasirisakul, candidato a doutorado na Faculdade de Engenharia de Drexel, e coautor do estudo. "Será emocionante acompanhar o progresso dos MXenes, agora que temos um melhor entendimento de como controlar suas propriedades."