Los materiales, conocidos como MXenes, están hechos de láminas de sólo unos pocos átomos de espesor y pueden interactuar con la luz de maneras que podrían hacer que las tecnologías futuras sean más rápidas, más pequeñas y más eficientes.
Los científicos en Alemania e Israel han encontrado una nueva forma de estudiar algunos de los materiales más pequeños y prometedores de la Tierra, un avance que podría ayudar a crear mejores baterías, electrónica flexible y dispositivos de energía limpia.
Los materiales, llamados MXenes, están hechos de láminas de sólo unos pocos átomos de espesor. Pueden conducir electricidad, almacenar energía e incluso interactuar con la luz de maneras que harán que las tecnologías futuras sean más rápidas, más pequeñas y más eficientes. Pero hasta ahora, los investigadores sólo podían estudiar los MXenes en grandes pilas de capas. Esto hacía difícil entender qué podía hacer realmente cada capa por sí sola.
Los MXenes han estado generando entusiasmo durante años debido a su potencial en la tecnología de próxima generación, desde baterías de carga ultrarrápida y células solares hasta pantallas flexibles y membranas de purificación de agua. Pero para hacer realidad estas ideas, los científicos primero deben comprender exactamente cómo se comportan estos materiales en las escalas más pequeñas.
Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Andreas Furchner del Helmholtz-Zentrum Berlin y el Dr. Ralfy Kenaz* del Universidad Hebrea de Jerusalén solucionó este problema. Utilizaron un nuevo método óptico llamado microelipsometría espectroscópica (SME) para examinar escamas individuales de MXene una por una. Los resultados fueron publicados en la revista revisada por pares. Revisión de ACS Nano.
La técnica funciona haciendo brillar luz cuidadosamente controlada sobre muestras microscópicas y midiendo cómo se refleja la luz. A partir de este pensamiento, los científicos pueden determinar qué tan bien el material conduce la electricidad y cómo su estructura afecta el rendimiento. A diferencia de los métodos más antiguos, SME no daña la muestra y puede realizar un análisis completo en menos de un minuto.
Israelíes marchando frente a la entrada de la Universidad Hebrea de Jerusalén (crédito: MARC ISRAEL SELLEM/THE JERUSALÉN POST)
“Lo realmente destacable de este trabajo es que en menos de un minuto podemos medir directamente las propiedades ópticas, estructurales y eléctricas de escamas individuales de MXene, todo ello de forma no destructiva”, dijo Kenaz, co-inventor del método. “Normalmente estas mediciones requieren tres instrumentos diferentes y mucho más tiempo”.
Cómo se comporta cada copo
Furchner dijo que el nuevo enfoque brinda a los científicos una imagen clara de cómo se comporta cada escama. “Medir cómo interactúan los copos de MXene con la luz nos permitió identificar pequeñas variaciones en el espesor y la conductividad”, dijo. “Estábamos entusiasmados de ver hasta qué punto los resultados coincidían con técnicas mucho más lentas y destructivas”.
El equipo descubrió que a medida que las capas de MXene se vuelven más delgadas, aumenta su resistencia eléctrica, un detalle crucial para diseñar componentes electrónicos confiables y eficientes. La nueva técnica también pudo igualar la precisión de potentes herramientas de obtención de imágenes, como los microscopios electrónicos, lo que confirma su exactitud.
“Este trabajo proporciona una hoja de ruta para integrar MXenes en tecnologías del mundo real al proporcionar una visión directa de sus propiedades intrínsecas sin la interferencia de capas apiladas o impurezas”, dijo el profesor Ronen Rapaport de la Universidad Hebrea. “Al perfeccionar la forma en que estudiamos estos materiales, estamos allanando el camino para su uso en energía y dispositivos optoelectrónicos”.
Según el Dr. Tristan Petit del centro HelmHoltz BerlinaLa nueva técnica podría tener un impacto aún mayor. “Esto abre nuevas áreas de investigación que antes sólo eran posibles con instalaciones de rayos X grandes y costosas”, afirmó. “Ahora podemos hacer un trabajo similar en un laboratorio tradicional, mucho más rápidamente. »
Los MXenes pueden almacenar y liberar energía eléctrica de manera extremadamente eficiente, lo que los hace prometedores para las baterías de estado sólido y de iones de litio de próxima generación. Debido a que son delgados y plegables, los MXenes podrían alimentar dispositivos portátiles, ropa inteligente o dispositivos electrónicos plegables. Esto también hace que MXenes sea ideal para su uso en supercondensadores, dispositivos que proporcionan ráfagas rápidas de energía y se recargan mucho más rápido que las baterías normales.
Su capacidad para interactuar con la luz y conducir electricidad también hace que los MXenes sean útiles para células solares y sistemas fotoelectroquímicos que convierten la luz solar en energía limpia. En particular, los MXenes pueden mejorar la producción de hidrógeno al actuar como catalizadores en reacciones de división del agua.
Debido a que los MXenes pueden filtrar metales pesados y sales del agua, los científicos los están estudiando para membranas de desalinización y ambiental tecnologías de limpieza. Los investigadores también están estudiando los MXenes para su uso potencial en biosensores, sistemas de administración de fármacos y diagnóstico médico.
Como dijo el Dr. Petit: “Esta es una poderosa demostración de cómo la colaboración y la física avanzada pueden acelerar la ciencia de los materiales. Los MXenes son sólo el comienzo”.
