Desde a descoberta inicial do que se tornou uma família em rápido crescimento de materiais em camadas bidimensionais - chamados MXenes - em 2011, os pesquisadores da Drexel University fizeram um progresso constante na compreensão da composição e estrutura química complexa, bem como nas propriedades físicas e eletroquímicas. destes materiais excepcionalmente versáteis. Mais de uma década depois, instrumentos avançados e uma nova abordagem permitiram que a equipe examinasse as camadas atômicas para entender melhor a conexão entre a forma e a função dos materiais.
Em um artigo publicado recentemente na Nature Nanotechnology , pesquisadores da Faculdade de Engenharia de Drexel e do Instituto de Tecnologia de Varsóvia e Instituto de Microeletrônica e Fotônica da Polônia relataram uma nova maneira de observar os átomos que compõem os MXenes e seus materiais precursores, fases MAX, usando uma técnica chamada espectrometria de massa de íons secundários. Ao fazer isso, o grupo descobriu átomos em locais onde não eram esperados e imperfeições nos materiais bidimensionais que poderiam explicar algumas de suas propriedades físicas únicas. Eles também demonstraram a existência de uma subfamília inteiramente nova de MXenes, chamada oxycarbides, que são materiais bidimensionais onde até 30% dos átomos de carbono são substituídos por oxigênio.

Essa descoberta permitirá que os pesquisadores construam novos MXenes e outros nanomateriais com propriedades ajustáveis ​​mais adequadas para aplicações específicas de antenas para comunicação sem fio 5G e 6G e escudos para interferência eletromagnética; a filtros para produção, armazenamento e separação de hidrogênio; para rins vestíveis para pacientes em diálise.

"Uma melhor compreensão da estrutura detalhada e composição de materiais bidimensionais nos permitirá liberar todo o seu potencial", disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e professor de Bach no College, que liderou a pesquisa de caracterização do MXene. "Agora temos uma imagem mais clara de por que os MXenes se comportam da maneira que se comportam e poderemos adaptar sua estrutura e, portanto, comportamentos para novas aplicações importantes".

A espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) é uma técnica comumente usada para estudar superfícies sólidas e filmes finos e como sua química muda com a profundidade. Ele funciona disparando um feixe de partículas carregadas em uma amostra, que bombardeia os átomos na superfície do material e os ejeta – um processo chamado sputtering. Os íons ejetados são detectados, coletados e identificados com base em sua massa e servem como indicadores da composição do material.

Embora o SIMS tenha sido usado para estudar materiais multicamadas ao longo dos anos, a resolução de profundidade foi limitada ao examinar a superfície de um material (vários angstroms). Uma equipe liderada por Pawel Michalowski, Ph.D., do Instituto de Microeletrônica e Fotônica da Polônia, fez várias melhorias na técnica, incluindo ajustar o ângulo e a energia do feixe, como os íons ejetados são medidos; e limpeza da superfície das amostras, o que lhes permitiu pulverizar as amostras camada por camada. Isso permitiu que os pesquisadores visualizassem a amostra com uma resolução em nível de átomo que não era possível anteriormente.

“A técnica mais próxima para análise de camadas finas e superfícies de MXenes é a espectroscopia de fotoelétrons de raios X, que temos usado em Drexel desde a descoberta do primeiro MXene”, disse Mark Anayee, doutorando no grupo de Gogotsi. "Enquanto o XPS nos deu apenas uma olhada na superfície dos materiais, o SIMS nos permite analisar as camadas abaixo da superfície. Ele nos permite 'remover' precisamente uma camada de átomos de cada vez sem perturbar as camadas abaixo dela. nos uma imagem muito mais clara que não seria possível com qualquer outra técnica de laboratório."

À medida que a equipe descascava a camada superior de átomos, como um arqueólogo desenterrando cuidadosamente uma nova descoberta, os pesquisadores começaram a ver as características sutis do andaime químico dentro das camadas de materiais, revelando a presença e o posicionamento inesperados de átomos e vários defeitos. e imperfeições.

"Nós demonstramos a formação de MXenes contendo oxigênio, os chamados oxycarbides. Isso representa uma nova subfamília de MXenes - que é uma grande descoberta." disse Gogotsi. "Nossos resultados sugerem que para cada carboneto MXene, há um oxicarbide MXene, onde o oxigênio substitui alguns átomos de carbono na estrutura da rede."

Como MAX e MXenes representam uma grande família de materiais, os pesquisadores exploraram ainda mais sistemas mais complexos que incluem vários elementos metálicos. Eles fizeram várias observações pioneiras, incluindo a mistura de átomos em carboneto de cromo-titânio MXene – que anteriormente se pensava serem separados em camadas distintas. E eles confirmaram descobertas anteriores, como a separação completa de átomos de molibdênio para camadas externas e átomos de titânio para a camada interna em carboneto de molibdênio-titânio.

Todas essas descobertas são importantes para o desenvolvimento de MXenes com uma estrutura bem ajustada e propriedades aprimoradas, de acordo com Gogotsi.

“Agora podemos controlar não apenas a composição elementar total dos MXenes, mas também saber em quais camadas atômicas os elementos específicos como carbono, oxigênio ou metais estão localizados”, disse Gogotsi. "Sabemos que a eliminação de oxigênio ajuda a aumentar a estabilidade ambiental do carboneto de titânio MXene e aumenta sua condutividade eletrônica. Agora que temos uma melhor compreensão de quanto oxigênio adicional há nos materiais, podemos ajustar a receita - por assim dizer - para produzir MXenes que não o possuem e, como resultado, mais estáveis ​​no meio ambiente."

A equipe também planeja explorar maneiras de separar camadas de cromo e titânio, o que ajudará a desenvolver MXenes com propriedades magnéticas atraentes. E agora que a técnica SIMS provou ser eficaz, Gogotsi planeja usá-la em pesquisas futuras, incluindo seu recente esforço de US$ 3 milhões financiado pelo Departamento de Energia dos EUA para explorar MXenes para armazenamento de hidrogênio - um passo importante para o desenvolvimento de um novo sistema sustentável. fonte de energia.

"De muitas maneiras, estudar MXenes na última década tem mapeado território inexplorado", disse Gogotsi. "Com esta nova abordagem, temos melhor orientação sobre onde procurar novos materiais e aplicações." + Explorar mais

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