Los científicos descubren una manera fácil de hacer atómicamente

Por la Universidad de Chicago30 de marzo de 2023

Una imagen de microscopía electrónica de barrido revela las hermosas formas de pequeñas estructuras conocidas como MXenes, que son de interés para los científicos para nuevos dispositivos y electrónica, pero que antes eran difíciles de crear. Estos se cultivaron con un nuevo método más fácil y menos tóxico inventado por químicos de la Universidad de Chicago. Como referencia, el diámetro de un cabello humano es de aproximadamente 50 µm. Crédito: Di Wang

La clave de un croissant perfecto radica en su multitud de capas, cada una intercalada con mantequilla. Del mismo modo, un nuevo material con potencial para diversas aplicaciones está compuesto por numerosas capas de metal ultrafinas, entre las cuales los científicos pueden insertar diferentes iones para fines específicos. Esto los hace potencialmente muy útiles para la electrónica de vanguardia y el almacenamiento de energía en el futuro.

Hasta hace poco, producir estos materiales, conocidos como MXenes (pronunciado "max-eens"), requería tanto trabajo como crear un croissant de alta calidad en una panadería francesa tradicional.

Pero un nuevo avance de científicos de la Universidad de Chicago muestra cómo hacer que estos MXenes sean mucho más rápidos y fáciles, con menos subproductos tóxicos.

Los investigadores esperan que el descubrimiento, publicado en la revista Science, impulse nuevas innovaciones y allane el camino hacia el uso de MXenes en dispositivos y dispositivos electrónicos cotidianos.

Cuando se descubrieron en 2011, MXenes entusiasmó a muchos científicos. Por lo general, cuando se afeita un metal como el oro o el titanio para crear láminas atómicamente delgadas, deja de comportarse como un metal. Pero los enlaces químicos inusualmente fuertes en los MXenes les permiten retener las habilidades especiales del metal, como conducir fuertemente la electricidad.

También son fácilmente personalizables: "Puedes poner iones entre las capas para usarlos para almacenar energía, por ejemplo", dijo el estudiante graduado de química Di Wang, coautor del artículo junto con el académico postdoctoral Chenkun Zhou.

Todas estas ventajas podrían hacer que MXenes sea extremadamente útil para construir nuevos dispositivos, por ejemplo, para almacenar electricidad o bloquear la interferencia de ondas electromagnéticas.

However, the only way we knew to make MXenes involved several intensive chemical engineering steps, including heating the mixture at 3,000°F followed by a bath in hydrofluoric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ácido.

"This is fine if you’re making a few grams for experiments in the laboratory, but if you wanted to make large amounts to use in commercial products, it would become a major corrosive waste disposal issue," explained Dmitri Talapin, the Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universidad de Chicago, designado conjuntamente en el Laboratorio Nacional de Argonne y el autor correspondiente del artículo.

To design a more efficient and less toxic method, the team used the principles of chemistry—in particular "atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">economía atómica", que busca minimizar el número de átomos desperdiciados durante una reacción.

El equipo de UChicago descubrió nuevas reacciones químicas que permiten a los científicos fabricar MXenes a partir de precursores simples y económicos, sin el uso de ácido fluorhídrico. Consiste en un solo paso: mezclar varios productos químicos con cualquier metal del que desee hacer capas y luego calentar la mezcla a 1700 °F. "Luego lo abres y ahí están", dijo Wang.

El método más fácil y menos tóxico abre nuevas vías para que los científicos creen y exploren nuevas variedades de MXenes para diferentes aplicaciones, como diferentes aleaciones de metales o diferentes sabores de iones. El equipo probó el método con metales de titanio y circonio, pero creen que la técnica también se puede usar para muchas otras combinaciones diferentes.

"Estos nuevos MXenes también son visualmente hermosos", agregó Wang. "Se levantan como flores, lo que incluso puede hacerlos mejores para las reacciones, porque los bordes están expuestos y accesibles para que los iones y las moléculas se muevan entre las capas de metal".

Referencia: "Síntesis directa y deposición de vapor químico de MXenes de carburo y nitruro 2D" por Di Wang, Chenkun Zhou, Alexander S. Filatov, Woje Cho, Francisco Lagunas, Mingzhan Wang, Suriyanarayanan Vaikuntanathan, Chong Liu, Robert F. Klie y Dmitri V .Talapin, 23 de marzo de 2023, Science.DOI:10.1126/science.add9204

El estudiante graduado Wooje Cho también fue coautor del artículo. La exploración fue posible gracias a la ayuda de los colegas de UChicago en todos los departamentos, incluido el químico teórico Suri Vaikuntanathan, el director del centro de investigación de rayos X Alexander Filatov y los electroquímicos Chong Liu y Mingzhan Wang de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular. La microscopía electrónica fue realizada por Robert Klie y Francisco Lagunas con la Universidad de Illinois Chicago.

Parte de la investigación se llevó a cabo a través de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía-Agua del Departamento de Energía de EE. UU., un Centro de Investigación de la Frontera Energética; el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Chicago; y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional de Argonne.