Esta imagem SEM mostra uma membrana lamelar preparada de MXene antes da exposição à água / luz / calor. Crédito:KAUST 2020
Um material em camadas desenvolvido pelos pesquisadores da KAUST pode atuar como um sensor de temperatura preciso, explorando o mesmo princípio usado em canais iônicos biológicos.
As células humanas possuem várias proteínas que atuam como canais para íons carregados. Na pele, certos canais de íons dependem de calor para conduzir um fluxo de íons que gera sinais elétricos, que usamos para sentir a temperatura do ambiente.
Inspirado por esses sensores biológicos, Os pesquisadores da KAUST prepararam um composto de carboneto de titânio (Ti 3 C 2 T x ) conhecido como MXene, que contém várias camadas com apenas alguns átomos de espessura. Cada camada é coberta com átomos carregados negativamente, como oxigênio ou flúor. "Esses grupos agem como espaçadores para manter as nanofolhas vizinhas separadas, permitindo que as moléculas de água entrem nos canais interplanares, "diz o pós-doutorado KAUST Seunghyun Hong, parte da equipe por trás do novo sensor de temperatura. Os canais entre as camadas de MXene são mais estreitos do que um único nanômetro.
Os pesquisadores usaram técnicas, como difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura, para investigar seu MXene, e eles descobriram que adicionar água ao material alargou ligeiramente os canais entre as camadas. Quando o material tocou uma solução de cloreto de potássio, esses canais eram grandes o suficiente para permitir que íons de potássio positivos se movessem através do MXene, mas bloqueou a passagem de íons de cloreto negativos.
Uma diferença de temperatura entre as duas extremidades de um nanocanal de MXene faz com que a água e os íons de potássio fluam do lado frio para o lado quente (topo). Quando a luz solar aquece apenas uma parte de um dispositivo MXene, um fluxo termo-osmótico gera uma voltagem que pode indicar pequenas mudanças de temperatura (parte inferior). Crédito:ACS Nano; Alshareef, H.N. et al.
A equipe criou um pequeno dispositivo contendo o MXene e expôs uma extremidade dele à luz solar. MXenes são particularmente eficientes na absorção da luz solar e na conversão dessa energia em calor. O aumento de temperatura resultante fez com que as moléculas de água e íons de potássio fluíssem através dos nanocanais da extremidade mais fria para a parte mais quente, um efeito conhecido como fluxo termo-osmótico. Isso causou uma mudança de voltagem comparável à observada em canais de íons sensores de temperatura biológicos. Como resultado, o dispositivo pode detectar mudanças de temperatura de menos de um grau Celsius com segurança.
A diminuição da salinidade da solução de cloreto de potássio melhorou o desempenho do dispositivo, em parte, aumentando ainda mais a seletividade do canal para íons de potássio.
Conforme os pesquisadores aumentaram a intensidade da luz que incide sobre o material, sua temperatura subiu na mesma taxa, assim como a resposta de transporte de íons. Isso sugere que, além de atuar como um sensor de temperatura, o material também pode ser usado para medir a intensidade da luz.
O trabalho resultou da colaboração entre os grupos dos professores Husam Alshareef e Peng Wang da KAUST. "Prevemos que os canais de cátions MXene são promissores para muitas aplicações potenciais, incluindo sensor de temperatura, fotodetecção ou captação de energia fototermoelétrica, "diz Alshareef, que co-liderou a equipe.
