Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos están acercando la ingeniería de materiales a la escala atómica, demostrando cómo los MXenes pueden modificarse a un nivel casi atómico para crear tecnologías avanzadas.
En dos publicaciones recientes, los investigadores demostraron nuevas formas de controlar los tipos de átomos en los MXenes, su disposición y qué grupos químicos se adhieren a sus superficies de un átomo de espesor.
Los MXenes (pronunciado "max-ins") son una familia de materiales bidimensionales, a menudo de tan solo unos pocos átomos de espesor. Están compuestos principalmente de metales de transición como el titanio, el vanadio o el molibdeno, unidos a carbono y/o nitrógeno.
Expansión de la familia de materiales MXene.
Los MXenes forman inicialmente sólidos en capas llamados fases MAX. Cuando los investigadores eliminan químicamente un tipo de capa de una fase MAX, las capas restantes se pueden separar en capas delgadas y planas de MXene.
«Me gusta pensar en las fases MAX como un libro de texto con todas las páginas pegadas, y en los MXenes como la página que uno quiere extraer», explicó Brian Wyatt, becario Maria Goeppert-Mayer en el Laboratorio Nacional Argonne.
«"Hay que disolver el pegamento y retirar la página con cuidado. El pegamento y las páginas tienen entornos químicos diferentes, por lo que los átomos prefieren estar cerca de ciertas capas", añadió.
En un estudio publicado en la revista Science, científicos del Laboratorio Nacional Argonne crearon 40 fases MAX diferentes, cada una de las cuales contenía al menos dos metales, y en algunos casos hasta nueve, en una sola estructura.
Este logro prácticamente duplicó el espacio químico conocido que se puede utilizar para crear MXenes.
Cuando se viola el orden atómico
Los investigadores han descubierto que el orden atómico se mantiene cuando un material contiene hasta seis metales diferentes. Sin embargo, al añadir siete o más metales, esta estructura se altera y los átomos se desordenan por completo.
«"Aquí es donde entra en juego la entropía, la tendencia natural hacia el desorden", dijo Wyatt. "La naturaleza favorece cierto orden, pero en cuanto añadimos suficientes ingredientes diferentes, a los átomos les resulta demasiado difícil mantenerse organizados", añadió.
Mediante espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), el equipo midió la estructura del material capa por capa para determinar la ubicación de los diferentes átomos.
Materiales estructurales para tecnologías futuras
«Nos gusta decir que son como materiales de diseño», dijo Wyatt. «Si necesito algo específico, uso estas composiciones; si necesito algo diferente, uso otras. Hay tanta gente en el grupo que podemos diseñar en función de nuestras necesidades».
Una aplicación prometedora es el blindaje contra interferencias electromagnéticas, donde los MXenes pueden bloquear señales no deseadas incluso en recubrimientos de nanómetros de espesor.
Los investigadores también las están estudiando en el contexto de la catálisis, donde sus superficies bidimensionales abiertas podrían reducir la necesidad de materiales costosos como el platino.
«"La capacidad de ajustar las propiedades de los MXenes es clave para la catálisis", dijo Muhoza.
«"En ocasiones, se necesitan metales específicos como sitios activos, pero solo una pequeña región del material base está activa. Los MXenes permiten colocar estos metales en una estructura bidimensional, de modo que todos queden expuestos", añadió.
El siguiente reto consiste en escalar estos materiales para su producción y aplicaciones industriales. La inteligencia artificial y el aprendizaje automático pueden ayudar a los investigadores a determinar qué combinaciones de elementos son las más viables para realizar pruebas.