Cómo funcionan realmente los MXenos
Una nueva técnica arroja luz sobre los nanomateriales de última generación
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Los investigadores han medido por primera vez las propiedades reales de las escamas individuales de MXeno, un nuevo nanomaterial con potencial para mejorar las baterías, la electrónica flexible y los dispositivos de energía limpia. Utilizando una novedosa técnica basada en la luz llamada microelipsometría espectroscópica, descubrieron cómo se comportan los MXenos a nivel de escama individual, revelando cambios en la conductividad y la respuesta óptica que antes quedaban ocultos al estudiar sólo las capas apiladas. Este avance proporciona los conocimientos fundamentales y las herramientas necesarias para diseñar tecnologías más inteligentes y eficientes basadas en MXenos.
Los científicos han hecho un gran avance en la comprensión de las propiedades intrínsecas fundamentales de los MXenos, una clase de materiales aclamados por su potencial para el almacenamiento de energía de próxima generación y la electrónica avanzada.
Los MXenos son materiales ultrafinos de unos pocos átomos de grosor, famosos por su capacidad para conducir la electricidad, almacenar energía e interactuar con la luz. Hasta ahora, sin embargo, la mayoría de los estudios examinaban los MXenos a granel, como películas finas formadas por muchas escamas superpuestas. Este enfoque, aunque útil, enmascaraba las propiedades únicas de las escamas individuales, dejando preguntas sin respuesta sobre su verdadero potencial.
El nuevo estudio ha sido dirigido por el Dr. Andreas Furchner, del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), junto con el Dr. Ralfy Kenaz, del Instituto de Física de la Universidad Hebrea (HUJI), en estrecha colaboración con los grupos de investigación del Dr. Tristan Petit y el Prof. Ronen Rapaport, respectivamente. Revela, por primera vez, cómo se comportan las escamas individuales de MXeno cuando se aíslan y estudian a nanoescala. Los resultados se han publicado recientemente en ACS Nano, una de las revistas de nanociencia y nanotecnología más importantes del mundo.
La elipsometría es una de las técnicas ópticas no invasivas más avanzadas para la caracterización de materiales. Sin embargo, los elipsómetros convencionales tienen dificultades inherentes para medir áreas inferiores a 50 micras -aproximadamente la anchura de un cabello humano-, lo que los hace inadecuados para analizar las estructuras microscópicas habituales en la tecnología y la investigación modernas. En consecuencia, las mediciones de elipsometría en MXenos se han limitado a películas finas macroscópicas formadas por escamas apiladas y superpuestas. Esta limitación ha impedido realizar mediciones directas de copos individuales de MXeno, cuyas dimensiones laterales son mucho menores, lo que dificulta una verdadera comprensión de sus propiedades intrínsecas.
Para resolver el problema, los investigadores emplearon una técnica avanzada y patentada que desarrollaron y denominaron microelipsometría espectroscópica (SME) -esencialmente una especie de "huella dactilar óptica"- que les permitió medir las propiedades ópticas, estructurales y electrónicas de copos individuales de MXeno con alta resolución lateral y sin dañarlos. En el estudio, se sintetizaron copos individuales de MXeno de distintos grosores en HZB y se enviaron a HUJI para realizar mediciones de SME. Las mediciones complementarias a nanoescala se realizaron en el Nano Center de HUJI, y todos los análisis de datos se llevaron a cabo en colaboración por ambos grupos.
Haciendo brillar luz con estados de polarización definidos sobre copos microscópicos tan finos como una sola capa molecular y analizando cómo se reflejaba esa luz, los investigadores trazaron un mapa de cómo cambia la capacidad del material para conducir la electricidad e interactuar con la luz en función del grosor y las propiedades estructurales. Descubrieron que a medida que las escamas de MXeno se hacen más finas, aumenta su resistencia eléctrica, un dato fundamental para construir dispositivos fiables y de alto rendimiento.
El método era tan preciso que coincidía con herramientas de imagen a nanoescala como la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía electrónica de transmisión por barrido (STEM), lo que confirma su poder como herramienta de diagnóstico no invasiva.
El Dr. Furchner, del Helmholtz-Zentrum de Berlín, que aportó su amplia experiencia en elipsometría al campo del MXeno, señaló: "Medir cómo despolarizan la luz las escamas individuales de MXeno nos ha permitido detectar variaciones estructurales intraesquema en el grosor a nivel nanométrico. Nos entusiasmó ver lo bien que coincidían los resultados con técnicas destructivas como STEM".
El Dr. Kenaz, de la Universidad Hebrea, desarrollador y coinventor de la técnica STEM, afirmó: "Lo verdaderamente extraordinario de este trabajo es que, en menos de un minuto, podemos medir directamente las propiedades ópticas, el grosor, las propiedades estructurales y la conductividad de escamas individuales de MXene, todo ello de forma no destructiva. Normalmente, estas mediciones requieren tres instrumentos diferentes, llevan mucho tiempo y son destructivas y, al final, no son tan fiables como la microelipsometría espectroscópica".
El Dr. Petit, del Helmholtz-Zentrum Berlin, añadió: "Esto abre nuevos campos de investigación para la caracterización operando, que antes sólo eran posibles con técnicas de sincrotrón como la STXM (microscopía de rayos X por transmisión de barrido). Ahora disponemos de una novedosa técnica de alto rendimiento para comprender cómo evolucionan los MXenos en distintos entornos: una herramienta de laboratorio que complementa los experimentos de obtención de imágenes de rayos X, por ejemplo."
Los MXenos se están estudiando para una amplia gama de aplicaciones, desde baterías ultrarrápidas y sistemas de purificación de agua hasta electrónica flexible y captación de energía solar. Entender cómo se comporta el material a nivel de copo individual es esencial para diseñar dispositivos eficientes y escalables.
El profesor Rapaport, de la Universidad Hebrea, añadió: "Este trabajo proporciona una hoja de ruta para integrar los MXenos en tecnologías reales al ofrecer una visión directa de sus propiedades intrínsecas, sin la interferencia de capas apiladas o impurezas. Al perfeccionar la forma de estudiar estos materiales mediante nuestra técnica SME, estamos allanando el camino para su uso en dispositivos optoelectrónicos, soluciones energéticas y otros ámbitos."
El estudio no sólo desvela conocimientos fundamentales sobre los MXenos, sino que también establece la microelipsometría espectroscópica como un nuevo estándar para analizar materiales 2D. Gracias a este avance, los científicos de todo el mundo pronto podrán sondear de la misma manera otros nanomateriales emergentes.
El Dr. Petit, del Helmholtz-Zentrum de Berlín, concluye: "Se trata de una poderosa demostración de cómo la colaboración internacional y la física avanzada pueden acelerar la ciencia de los materiales. Los MXenos son sólo el principio".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Ralfy Kenaz, Saptarshi Ghosh, Mailis Lounasvuori, Namrata Sharma, Sergei Remennik, Atzmon Vakahi, Hadar Steinberg, Tristan Petit, Ronen Rapaport, Andreas Furchner; "Optical, Structural, and Charge Transport Properties of Individual Ti3C2Tx MXene Flakes via Micro-Ellipsometry and Beyond"; ACS Nano, 2025-9-30
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