MXenes Decoded: Prima Visione a Livello Atomico Sblocca Endless Possibilities

Utilizzando la microscopia a scansione a effetto tunnel, i ricercatori della Drexel University e della UCLA stanno fornendo il primo sguardo su scala atomica alla superficie dei materiali MXene 2D. I risultati aiuteranno a personalizzare i materiali unici per applicazioni specifiche. Credito: Drexel University

Tecniche di imaging avanzate hanno rivelato la complessa chimica di superficie degli MXene, un materiale promettente per applicazioni energetiche e di telecomunicazione, che potenzialmente porta a funzionalità personalizzate per usi specifici.

Nel decennio trascorso dalla loro scoperta alla Drexel University, la famiglia di materiali bidimensionali MXene ha dimostrato un potenziale significativo per applicazioni che vanno dalla desalinizzazione dell'acqua e l'accumulo di energia alla schermatura elettromagnetica e alle telecomunicazioni, tra le altre. Mentre le origini della loro versatilità sono state ampiamente ipotizzate dai ricercatori, uno studio recente condotto dalla Drexel University e dall'Università della California, Los Angeles, ha offerto la prima chiara intuizione sulla struttura chimica di superficie che sostiene le capacità degli MXene. 

Utilizzando tecniche di imaging avanzate, note come microscopia a effetto tunnel a scansione (STM) e spettroscopia a effetto tunnel a scansione (STS), il team, che include anche ricercatori della California State University Northridge e del Lawrence Berkeley National Laboratory, ha mappato la topografia elettrochimica della superficie del carburo di titanio MXene, il membro più studiato e ampiamente utilizzato della famiglia. Le loro scoperte, pubblicate nel numero del quinto anniversario della rivista Matter della Cell Press, aiuteranno a spiegare la gamma di proprietà esibite dai membri della famiglia MXene e consentiranno ai ricercatori di adattare nuovi materiali per applicazioni specifiche. 

"Gran parte del potenziale degli MXene deriva dalla loro ricca chimica di superficie", ha affermato Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professore Bach presso il College of Engineering di Drexel, autore principale della ricerca, il cui gruppo di ricerca ha partecipato alla scoperta dei materiali nel 2011. "Ottenere la prima occhiata su scala atomica alla loro superficie, utilizzando la microscopia a scansione a effetto tunnel, è uno sviluppo entusiasmante che aprirà nuove possibilità per il controllo della superficie del materiale e consentirà applicazioni degli MXene nelle tecnologie avanzate". 

Sebbene gli MXene siano materiali bidimensionali, l'interazione che è alla base delle loro proprietà chimiche, elettrochimiche e catalitiche, che si tratti di accumulo ultraveloce di energia elettrica, scissione dell'acqua per produrre idrogeno o estrazione di urea dal sangue, è avviata dagli atomi che formano il loro strato superficiale. Ricerche precedenti hanno fornito uno sguardo a bassa risoluzione sulla struttura chimica delle superfici MXene, utilizzando tecnologie come la microscopia elettronica a scansione (SEM), la spettroscopia di massa a ioni secondari (SIMS) e la spettroscopia Raman con punta potenziata (TERS). Questi strumenti offrono letture indirette della composizione del materiale, ma forniscono poche informazioni sulle complessità della sua organizzazione superficiale.

La microscopia a scansione a effetto tunnel e la spettroscopia a scansione a effetto tunnel, al contrario, forniscono informazioni più dirette sulla forma e sulla composizione della struttura superficiale di un materiale, nonché sulla sua chimica e proprietà superficiali.

Questi strumenti utilizzano una sonda estremamente affilata, sufficientemente sensibile da distinguere un atomo dall'altro mentre esegue la scansione su una superficie piana. La punta della sonda trasporta una carica elettrica che le consente di interagire con ciascun atomo mentre passa, questa interazione, chiamata effetto tunnel quantistico, fornisce informazioni sugli atomi sulla superficie del materiale. Le scansioni spettroscopiche forniscono informazioni sulla composizione superficiale a livello atomico e molecolare. Le scansioni vengono convertite in immagini, formando mappe topografiche della superficie del materiale.

"Con STM/STS, possiamo vedere le disposizioni atomiche sulla superficie degli MXeni e persino studiarne la conduttanza con risoluzione atomica", ha affermato Gogotsi. "Questa è la chiave per comprendere perché gli MXeni hanno proprietà estreme e superano altri materiali in molte applicazioni. Dovrebbe anche aiutarci a esplorare le proprietà quantistiche degli MXeni e identificare nuove opportunità per questa famiglia di materiali in rapida espansione".

Secondo i ricercatori, individuare gruppi di atomi, chiamati gruppi funzionali, identificarli e misurarne le proprietà sulla superficie, data la loro posizione e il loro attaccamento specifici, sono tutti sviluppi importanti per comprendere come gli MXeni interagiscono con altre sostanze chimiche e materiali.

"Le superfici degli MXeni sono chimicamente eterogenee. Questo è ciò che le rende interessanti e ciò che le rende difficili da studiare", ha affermato Paul Weiss, PhD, un illustre professore e presidente della UC Presidential Chair presso l'UCLA che ha guidato la ricerca con Gogotsi. "Riteniamo che sia anche la chiave delle loro straordinarie proprietà. Tuttavia, non sappiamo ancora quali funzionalità chimiche siano importanti per quali applicazioni".