03.09.2021 - Universität Konstanz

Cambio de forma de los MXenos inducido por la luz

La luz de femtosegundos crea nanoondas conmutables en MXenes y mueve los átomos de los materiales a una velocidad récord

La espectroscopia láser ultrarrápida permite observar el movimiento de los átomos en sus escalas de tiempo naturales en el rango de los femtosegundos, la millonésima parte de una milmillonésima de segundo. La microscopía electrónica, por su parte, proporciona una resolución espacial atómica. Combinando electrones y fotones en un solo instrumento, el grupo del profesor Peter Baum, de la Universidad de Constanza, ha desarrollado algunos de los microscopios electrónicos más rápidos para obtener una visión detallada de los materiales y su dinámica con resoluciones máximas tanto en el espacio como en el tiempo.

En su reciente publicación en ACS NANO, los científicos del laboratorio de Baum han aplicado esta técnica junto con sus colegas de la ETH de Zúrich para estudiar nuevos materiales -hojas bidimensionales definidas molecularmente llamadas MXenes- y han hecho un descubrimiento sorprendente. Utilizando pulsos de láser, los MXenos pueden cambiar repetidamente entre una forma plana y otra ondulada, lo que abre un amplio espectro de posibles aplicaciones.

MXenos: nuevos materiales bidimensionales

Los MXenos son láminas bidimensionales de carburos o nitruros de metales de transición en forma de capas simples de pocos átomos de espesor. "Los MXenos son comparables a una molécula en una dimensión espacial y a un sólido extendido en las otras dos", describe la estructura de los MXenos el Dr. Mikhail Volkov, primer autor del reciente estudio. Los MXenos se sintetizan "desprendiendo" las finas capas de material de un material precursor, un proceso denominado exfoliación.

A diferencia de la mayoría de los materiales monocapa, los MXenos pueden producirse fácilmente en grandes cantidades, gracias al descubrimiento de un método de exfoliación química escalable e irreversible. Las propiedades químicas y físicas de los MXenos pueden ajustarse en gran medida mediante la elección del metal de transición, lo que ha dado lugar a amplias aplicaciones de los MXenos en materia de detección, almacenamiento de energía, captación de luz y acción antibacteriana.

Nanoondas en los MXenos formadas por luz rápida

En su estudio, los investigadores principales, el Dr. Mikhail Volkov, de la Universidad de Constanza, y la Dra. Elena Willinger, de la ETH de Zúrich, han encontrado una nueva forma de mejorar las propiedades de los MXenos mediante la emisión de pulsos de luz rápida sobre ellos. Utilizando un microscopio electrónico ultrarrápido con resolución espacial atómica, grabaron una película de MXenos interactuando con pulsos de láser de femtosegundos, mostrando que la energía del láser se transfiere a la red atómica en un tiempo récord de sólo 230 femtosegundos.

Inesperadamente, los científicos también descubrieron que la luz láser de femtosegundo puede utilizarse para alternar entre la estructura superficial originalmente plana del MXeno y una forma de nanoondas del material, un "nanopaisaje" de colinas y valles con una periodicidad más de cincuenta veces más fina que la longitud de onda del láser. "Podemos controlar la orientación de la nanoonda con la polarización del láser, lo que significa que el material tiene una memoria óptica a escala nanométrica. Además, si el láser vuelve a incidir, la nanoonda MXene vuelve a convertirse en un plano y permanece plana durante la iluminación. El tamaño extremadamente pequeño de las nanoondas y la rápida reacción de la red son también bastante sorprendentes, y es probable que esté implicado un fenómeno llamado acoplamiento de plasmones y fonones", explica Volkov.

Las nanoondas aumentan el rendimiento de los materiales

"La nanoestructuración en forma de ondas también aumenta la relación superficie-volumen de los materiales, haciéndolos químicamente más reactivos. Además, potencia los campos electromagnéticos locales, mejorando el acoplamiento con la luz, una propiedad muy valiosa para las aplicaciones de detección", afirma Volkov. Por tanto, los científicos esperan que los MXenos nano-ondulados descubiertos muestren una mayor capacidad de almacenamiento de energía y una mayor actividad catalítica o antibiótica. Por último, la posibilidad de cambiar la estructura de los MXenos entre plana y ondulada "a petición" mediante un pulso láser abre interesantes vías para utilizar los materiales en dispositivos activos plasmónicos, químicos y eléctricos", concluye Volkov.

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