MXenes Decodificados: Primera Vista a Nivel Atómico Desbloquea Infinitas Posibilidades

Usando la microscopía de túnel de escaneo, investigadores de la Universidad de Drexel y UCLA están proporcionando la primera mirada a escala de átomos a la superficie de los materiales 2D MXene. Los hallazgos ayudarán a adaptar los materiales únicos para aplicaciones específicas. Crédito: Universidad de Drexel

Técnicas avanzadas de imagen han revelado la compleja química de la superficie de los MXenes, un material prometedor para aplicaciones de energía y telecomunicaciones, lo que potencialmente conducirá a funciones personalizadas para usos específicos.

En la década desde su descubrimiento en la Universidad de Drexel, la familia de materiales bidimensionales MXene ha demostrado un gran potencial para aplicaciones que van desde la desalinización del agua y almacenamiento de energía hasta el blindaje electromagnético y las telecomunicaciones, entre otros. Mientras que los orígenes de su versatilidad han sido ampliamente especulados por investigadores, un estudio reciente liderado por la Universidad de Drexel y la Universidad de California, Los Ángeles, ha ofrecido la primera visión clara de la estructura química de la superficie que respalda las capacidades de los MXenes.

Usando técnicas avanzadas de imagen, conocidas como microscopía de túnel de escaneo (STM) y espectroscopía de túnel de escaneo (STS), el equipo, que también incluye a investigadores de la Universidad Estatal de California en Northridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, mapeó la topografía superficial electroquímica del MXene de carburo de titanio — el miembro más estudiado y ampliamente utilizado de la familia. Sus hallazgos, publicados en el número conmemorativo del quinto aniversario de la revista de Cell Press, Matter, ayudarán a explicar la gama de propiedades exhibidas por los miembros de la familia MXene y permitirán a los investigadores adaptar nuevos materiales para aplicaciones específicas.

“Gran parte del potencial de los MXenes proviene de su rica química superficial”, dijo Yury Gogotsi, PhD, distinguido profesor universitario y Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, autor principal de la investigación, cuyo grupo de investigación participó en el descubrimiento de los materiales en 2011. “Obtener la primera mirada a escala atómica de su superficie, utilizando la microscopía de túnel de escaneo, es un desarrollo emocionante que abrirá nuevas posibilidades para controlar la superficie del material y permitir aplicaciones de MXenes en tecnologías avanzadas.”

A pesar de que los MXenes son materiales bidimensionales, la interacción que subyace a sus propiedades químicas, electroquímicas y catalíticas — ya sea almacenamiento ultrarrápido de energía eléctrica, división del agua para producir hidrógeno o eliminación de urea de la sangre — es iniciada por los átomos que conforman su capa superficial.

Investigaciones previas han proporcionado una mirada a menor resolución de la estructura química de las superficies de los MXenes, utilizando tecnologías como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) y la espectroscopía Raman mejorada con punta (TERS). Estas herramientas ofrecen lecturas indirectas de la composición del material, pero proporcionan poca información sobre las complejidades de su organización superficial.

Por el contrario, la microscopía de túnel de escaneo y la espectroscopía de túnel de escaneo proporcionan información más directa sobre la forma y composición de la estructura superficial de un material, así como sobre su química y propiedades superficiales.

Estas herramientas utilizan una sonda extremadamente afilada, lo suficientemente sensible como para distinguir un átomo de otro mientras escanea una superficie plana. La punta de la sonda lleva una carga eléctrica que le permite interactuar con cada átomo mientras pasa, esta interacción —llamada túnel cuántico— proporciona información sobre los átomos en la superficie del material. Los escaneos espectroscópicos proporcionan información sobre la composición superficial a niveles atómicos y moleculares. Los escaneos se convierten en imágenes, formando mapas topográficos de la superficie del material.

“Con STM/STS, podemos ver arreglos atómicos en la superficie de los MXenes e incluso estudiar su conductancia con resolución atómica”, dijo Gogotsi. “Esto es clave para entender por qué los MXenes tienen propiedades extremas y superan a otros materiales en muchas aplicaciones. También debería ayudarnos a explorar propiedades cuánticas de los MXenes e identificar nuevas oportunidades para esta familia de materiales en rápido crecimiento”.

Localizar grupos de átomos —llamados grupos funcionales— identificarlos y medir sus propiedades en la superficie, dada su ubicación y unión específicas, son todos desarrollos importantes para comprender cómo interactúan los MXenes con otros productos químicos y materiales, según los investigadores.

“Las superficies de MXene son químicamente heterogéneas. Eso es lo que las hace interesantes y lo que las hace difíciles de estudiar”, dijo Paul Weiss, PhD, profesor distinguido y presidente de la cátedra UC en UCLA, quien dirigió la investigación con Gogotsi. “Creemos que también es clave para sus sorprendentes propiedades. Sin embargo, aún no sabemos qué funcionalidades químicas son importantes para qué aplicaciones”.