MXenes Decodificado: Primeira Visão de Nível Atômico Desbloqueia Possibilidades Infinitas

Pesquisadores da Drexel e da UCLA conduzem a primeira análise de microscopia de tunelamento de varredura e espectroscopia de um material 2D exclusivo.

Técnicas avançadas de imagem revelaram a complexa química de superfície dos MXenes, um material promissor para aplicações de energia e telecomunicações, potencialmente levando a funcionalidades personalizadas para usos específicos.

Na década desde a sua descoberta na Universidade Drexel, a família MXene de materiais bidimensionais demonstrou um potencial significativo para aplicações que vão desde dessalinização de água e armazenamento de energia para blindagem eletromagnética e telecomunicaçõesentre outros. Embora as origens de sua versatilidade tenham sido amplamente especuladas por pesquisadores, um estudo recente liderado pela Drexel University e pela University of California, Los Angeles, ofereceu o primeiro insight claro sobre a estrutura química da superfície que sustenta as capacidades dos MXenes.

Usando técnicas avançadas de imagem, conhecidas como microscopia de tunelamento de varredura (STM) e espectroscopia de tunelamento de varredura (STS), a equipe, que também inclui pesquisadores da California State University Northridge e do Lawrence Berkeley National Laboratory, mapeou a topografia eletroquímica da superfície do carboneto de titânio MXene — o membro mais estudado e amplamente utilizado da família. Suas descobertas, publicadas na edição de 5º aniversário do periódico Cell Press Matériaajudará a explicar a gama de propriedades exibidas pelos membros da família MXene e permitirá que os pesquisadores adaptem novos materiais para aplicações específicas.

Importância da Química de Superfície

“Grande parte do potencial dos MXenes resulta de sua rica química de superfície”, disse Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel, um dos principais autores da pesquisa, cujo grupo de pesquisa participou da descoberta dos materiais em 2011. “Obter a primeira visão em escala atômica de sua superfície, usando microscopia de tunelamento de varredura, é um desenvolvimento empolgante que abrirá novas possibilidades para controlar a superfície do material e permitir aplicações de MXenes em tecnologias avançadas.”

Embora os MXenes sejam materiais bidimensionais, a interação que é a base de suas propriedades químicas, eletroquímicas e catalíticas — seja o armazenamento ultrarrápido de energia elétrica, a divisão da água para produzir hidrogênio ou a extração de ureia do sangue — é iniciada pelos átomos que formam sua camada superficial.

Pesquisa anterior forneceu uma visão de baixa resolução da estrutura química das superfícies de MXene, usando tecnologia como microscopia eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e espectroscopia Raman aprimorada por ponta (TERS). Essas ferramentas oferecem leituras indiretas da composição do material, mas fornecem pouca informação sobre as complexidades de sua organização de superfície.

A microscopia de tunelamento de varredura e a espectroscopia de tunelamento de varredura, por outro lado, fornecem informações mais diretas sobre a forma e a composição da estrutura da superfície de um material, bem como sua química e propriedades de superfície.

Análise detalhada da superfície

Essas ferramentas usam uma sonda extremamente afiada, sensível o suficiente para distinguir uma átomo de outro enquanto varre uma superfície plana. A ponta da sonda carrega uma carga elétrica que permite que ela interaja com cada átomo conforme ele passa, essa interação — chamada tunelamento quântico — fornece informações sobre os átomos na superfície do material. Varreduras espectroscópicas fornecem informações sobre a composição da superfície nos níveis atômico e molecular. As varreduras são convertidas em imagens, formando mapas topográficos da superfície do material.

“Com STM/STS, podemos ver arranjos atômicos na superfície dos MXenes e até mesmo estudar sua condutância com resolução atômica”, disse Gogotsi. “Esta é a chave para entender por que os MXenes têm propriedades extremas e superam outros materiais em muitas aplicações. Também deve nos ajudar a explorar propriedades quânticas dos MXenes e identificar novas oportunidades para esta família de materiais em rápida expansão.”

Localizar grupos de átomos — chamados grupos funcionais — identificá-los e medir suas propriedades na superfície, dadas suas localizações e ligações específicas, são desenvolvimentos importantes para entender como os MXenes interagem com outros produtos químicos e materiais, de acordo com os pesquisadores.

“As superfícies do MXene são quimicamente heterogêneas. É isso que as torna interessantes e difíceis de estudar”, disse Paul Weiss, PhD, um distinto professor e presidente da UC Presidential Universidade da Califórnia em Los Angeles que liderou a pesquisa com Gogotsi. “Acreditamos que também é essencial para suas propriedades incríveis. No entanto, ainda não sabemos quais funcionalidades químicas são importantes para quais aplicações.”

As imagens STM/STS do grupo mostraram características de 10 nanômetros na superfície do MXene, provavelmente aglomerados de óxido de titânio e saliências menores, dispostas em uma simetria hexagonal distorcida, que eles consideraram ser grupos funcionais, que eles passaram a identificar quimicamente.

Os resultados desta pesquisa foram consistentes com teorias anteriores, microscopia de baixa resolução e dados espectrais sobre a superfície de MXenes de carboneto de titânio, incluindo a previsão de que sua superfície é metálica. No entanto, obter uma visão mais detalhada dos defeitos da superfície e da natureza de sua heterogeneidade é um passo importante para entender como eles afetam o comportamento do material, de acordo com a equipe.

“Neste trabalho, começamos a puxar os fios. Conseguimos fazer imagens e começar a atribuir parte da funcionalidade química”, disse Weiss. “Um dos aspectos desconhecidos mais interessantes dos MXenes é quais papéis seus defeitos e heterogeneidade desempenham em sua função e estabilidade ambiental. Agora temos nosso pé na porta para explorar esses papéis.”

Com base na experiência coletiva dos cientistas de materiais da Drexel, dos grupos STM da UCLA e do Laboratório Nacional Lawrence Berkley, e de cientistas teóricos da Cal State Northridge, o grupo continuará sua análise rigorosa dos materiais enquanto define um processo para modular sua composição química para ajustar sua funcionalidade para diferentes usos.

Referência: “Investigações em escala atômica de superfícies de Ti3C2Tx MXene” por Katherine E. White, Yi Zhi Chu, Gilad Gani, Stefano Ippolito, Kristopher K. Barr, John C. Thomas, Alexander Weber-Bargioni, Kah Chun Lau, Yury Gogotsi e Paul S. Weiss, , Matéria.
DOI: 10.1016/j.matt.2024.06.025

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.