Los científicos descubren una manera fácil de hacer capas de metal atómicamente delgadas para una nueva tecnología

El secreto de un croissant perfecto son las capas, tantas como sea posible, cada una intercalada con mantequilla. De manera similar, un nuevo material que promete nuevas aplicaciones está hecho de muchas capas de metal extremadamente delgadas, entre las cuales los científicos pueden deslizar diferentes iones para varios propósitos. Esto los hace potencialmente muy útiles para la futura electrónica de alta tecnología o el almacenamiento de energía.

Hasta hace poco, estos materiales, conocidos como MXenes, pronunciados «max-eens», requerían tanta mano de obra como los buenos croissants hechos en una panadería francesa.

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 el 23 de marzo en Cienciaestimulará la innovación y allanará el camino hacia el uso de MXenes en dispositivos y dispositivos electrónicos cotidianos.

economía atómica

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.

Sin embargo, la única forma que conocíamos de hacer MXenes implicaba varios pasos intensivos de ingeniería química, incluido el calentamiento de la mezcla a 3000 °F seguido de un baño en ácido fluorhídrico.

«Esto está bien si está haciendo unos pocos gramos para experimentos en el laboratorio, pero si quisiera hacer grandes cantidades para usar en productos comerciales, se convertiría en un problema importante de eliminación de desechos corrosivos», explicó Dmitri Talapin, Ernest DeWitt. Profesor de Química del Servicio Distinguido de Burton en la Universidad de Chicago, designado conjuntamente en el Laboratorio Nacional de Argonne y autor correspondiente del artículo.

Para diseñar un método más eficiente y menos tóxico, el equipo utilizó los principios de la química, en particular, la «economía atómica», que busca minimizar la cantidad 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».

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.