Nueva ruta hacia los materiales 2D
Un equipo de investigadores produce MXenos ultralimpios con excelentes prestaciones eléctricas
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Un equipo internacional de investigadores de la Universidad Técnica de Dresde, el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de Halle, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e instituciones asociadas de toda Europa ha desarrollado un método revolucionario para producir MXenos -una importante familia de materiales bidimensionales- con una pureza y un control sin precedentes. El nuevo proceso "gas-líquido-sólido" permite la síntesis de MXenos puros con átomos de halógeno distribuidos uniformemente en la superficie y una composición superficial ajustable con precisión. El método aumenta drásticamente su conductividad eléctrica y abre la puerta a la electrónica, los sensores y las tecnologías energéticas de alto rendimiento.
Descubiertos por primera vez en 2011, los MXenos son una clase de materiales inorgánicos bidimensionales en rápido crecimiento. Cada unidad estructural se compone de capas de metales de transición combinados con carbono o nitrógeno y está terminada por átomos unidos a las superficies más externas. Estas terminaciones superficiales desempeñan un papel crucial en la determinación de las propiedades del material. "Influyen enormemente en el movimiento de los electrones a través del material, en su estabilidad y en su interacción con la luz, el calor y los entornos químicos", explica el Dr. Mahdi Ghorbani-Asl, del Instituto de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales de la HZDR.
Tradicionalmente, la mayoría de los MXenos se han producido mediante métodos de grabado químico que dan lugar a terminaciones superficiales mezcladas y distribuidas aleatoriamente, como oxígeno, flúor o cloro. "Este desorden atómico limita el rendimiento porque atrapa y dispersa electrones, como los baches que ralentizan el tráfico en una autopista", describe el Dr. Dongqi Li, de TU Dresden.
El nuevo método GLS evita los productos químicos agresivos utilizando materiales sólidos de partida conocidos como fases MAX, junto con sales fundidas y vapor de yodo, para producir láminas de MXeno. Las sales fundidas y el yodo actúan conjuntamente para controlar qué átomos de halógeno, como cloro, bromo o yodo, se adhieren a la superficie. El resultado son MXenos con terminaciones superficiales muy uniformes y bien ordenadas y un nivel de impurezas muy reducido.
Con este método, el equipo logró sintetizar MXenos a partir de ocho fases MAX diferentes, lo que demuestra que el método es ampliamente aplicable. Además, los investigadores utilizaron cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) para profundizar en el modo en que las terminaciones superficiales influyen en la estabilidad y las propiedades electrónicas de los MXenos. "Combinando la teoría con nuestra capacidad experimental para controlar con precisión las terminaciones superficiales, abrimos un nuevo camino hacia los MXenos con estabilidad mejorada y propiedades funcionales adaptadas", concluye Ghorbani-Asl.
Conductividad excepcional a partir de superficies perfectamente ordenadas
Para ilustrar el impacto de este avance, los investigadores se centraron en uno de los representantes más estudiados de esta clase de compuestos: el carburo de titanio MXeno Ti₃C₂. Cuando se fabrica mediante rutas químicas convencionales, el Ti₃C₂ suele contener una mezcla de terminaciones de cloro y oxígeno, lo que altera sus propiedades eléctricas. En cambio, el Ti₃C₂Cl₂ producido mediante el método GLS sólo contiene cloro, dispuesto en una estructura muy ordenada sin impurezas detectables.
"Los resultados fueron sorprendentes. La variante de MXeno con cloro se multiplicó por 160 en conductividad macroscópica y por 13 en conductividad de terahercios en comparación con el mismo material fabricado por métodos tradicionales. Además, se observó un aumento de casi cuatro veces en la movilidad de los portadores de carga, una medida clave de la libertad de movimiento de los electrones a través de un material", resume Li.
Estas mejoras de rendimiento se deben directamente a la química más limpia de la superficie. Con todos los átomos de cloro ordenados en la superficie del MXeno, los electrones encuentran menos obstáculos y pueden fluir con más facilidad". Las simulaciones de transporte cuántico confirmaron que las superficies uniformes reducían el atrapamiento y la dispersión de electrones, proporcionando una clara explicación microscópica de las mejoras medidas.
Materiales 2D para las tecnologías del futuro
Además del transporte eléctrico, el estudio demuestra que el ajuste del tipo de halógeno superficial también modifica el modo en que los MXenos absorben las ondas electromagnéticas. Esto significa que los materiales pueden diseñarse para aplicaciones específicas, como recubrimientos absorbentes de radares, blindaje electromagnético y componentes inalámbricos de última generación. Por ejemplo, los MXenos terminados en cloro muestran una fuerte absorción en la gama de frecuencias de 14-18 GHz, mientras que los MXenos terminados en bromo y yodo absorben en diferentes ventanas de frecuencia.
El método también proporciona una potente plataforma para diseñar MXenos con propiedades superficiales a medida. Mezclando diferentes sales de haluro, los investigadores produjeron MXenos con terminaciones halogenadas dobles o incluso triples y proporciones controladas con precisión. Esta capacidad de "marcar" la composición de la superficie ofrece un nuevo conjunto de herramientas para personalizar los MXenos para aplicaciones en electrónica, catálisis, almacenamiento de energía, fotónica y otros campos.
En conjunto, el estudio representa un avance significativo en la química de los MXenos. Por primera vez, demuestra una ruta de síntesis suave y ampliamente aplicable que produce MXenos altamente ordenados con terminaciones superficiales controladas con precisión. Según los autores, el método GLS podría acelerar el desarrollo de materiales de próxima generación para electrónica flexible, tecnologías de comunicación de alta velocidad y dispositivos optoelectrónicos avanzados.
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
Dongqi Li, Wenhao Zheng, Mahdi Ghorbani-Asl, Juliane Scheiter, Kamil Sobczak, Silvan Kretschmer, Josef Polčák, Pranjali Hirasing Jadhao, Paweł P. Michałowski, Ruoling Yu, Jiaxu Zhang, Jinxin Liu, Jingwei Du, Quanquan Guo, Ehrenfried Zschech, Tomáš Šikola, Mischa Bonn, Nicolás Pérez, Kornelius Nielsch, Arkady V. Krasheninnikov, Hai I. Wang, Minghao Yu, Xinliang Feng; "Triphasic synthesis of MXenes with uniform and controlled halogen terminations"; Nature Synthesis, 2026-1-6
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