La nano-lasaña: los nuevos materiales 2D cobran impulso
Un equipo de investigadores desarrolla una síntesis de MXeno respetuosa con el medio ambiente y sin el peligroso ácido fluorhídrico para el escalado industrial
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No sólo hay grafeno: en un proyecto interdisciplinar, los investigadores del Empa se han centrado en una nueva clase de materiales bidimensionales conocidos como MXenos. Este versátil grupo de materiales es adecuado para una amplia gama de aplicaciones, desde el almacenamiento de energía hasta la medicina. El equipo del proyecto ha realizado importantes avances en el modelado y la síntesis de MXenos.
Los materiales bidimensionales formados por una sola capa de átomos son actualmente objeto de intensa investigación. Su naturaleza bidimensional les confiere muchas propiedades ventajosas, ya sea en términos de conductividad eléctrica o robustez mecánica, y puede dar lugar a efectos cuánticos especiales. El material bidimensional más conocido es el grafeno, una forma de carbono. Pero no es el único. Las estrellas emergentes en el cielo de las 2D se llaman MXenos (pronunciado "maxenes").
A diferencia del grafeno, formado únicamente por átomos de carbono, los MXenos pueden contener uno o varios metales de transición en combinación con nitrógeno o carbono. Se producen a partir de las llamadas fases MAX: cristales cerámicos con una estructura en capas, "un poco como una lasaña", compara Jakob Heier, investigador de Empa. Las capas intermedias se eliminan añadiendo ácido. Las capas restantes, que ya no están unidas químicamente entre sí, se separan en un baño de ultrasonidos y los MXenos ya están listos.
Esta nueva clase de materiales es especialmente interesante para la investigación porque: "Las fases MAX pueden consistir en muchos elementos diferentes y combinaciones de los mismos, lo que nos permite producir MXenos a medida para numerosas aplicaciones", explica Heier. Sin embargo, estos materiales polivalentes, que se descubrieron hace unos 15 años, aún no se utilizan ni se conocen bien. Una iniciativa de investigación de Empa dirigida por Jakob Heier pretende cambiar esta situación.
Perspectiva interdisciplinar
La iniciativa de investigación correspondiente, TailorX, es el llamado refuerzo de la investigación, en el que varios grupos de investigación de Empa colaboran para examinar a fondo un tema emergente durante un periodo de dos años y establecerlo como actividad investigadora. Científicos de cuatro laboratorios distintos de Empa trabajan en MXenes: Polímeros funcionales, al que está asociado Jakob Heier, Cerámicas de alto rendimiento, Materiales y componentes energéticos para la construcción y nanotecnologías/superficies.
El enfoque integral merece la pena porque, como explica Heier, "cubrimos todo el espectro, desde la investigación básica y la modelización hasta la producción de fases MAX y MXenos, pasando por sus aplicaciones". Es uno de los grandes puntos fuertes de Empa que todas estas áreas de especialización estén reunidas en un solo instituto."
El proyecto se puso en marcha en 2024 y ahora está llegando a su fin. Los coiniciadores están satisfechos con los resultados. "Ahora tenemos una amplia cartera de diferentes fases MAX que podemos sintetizar con un alto grado de pureza", afirma Michael Stuer, del laboratorio de Cerámicas de Alto Rendimiento. Sintetizar los cristales precursores no es del todo sencillo: no basta con mezclar los elementos deseados en las proporciones adecuadas. "Al comprender mejor el proceso de síntesis, pudimos sintetizar numerosas fases MAX con diversos grados de complejidad química que aún no están disponibles en el mercado", explica Stuer.
Capturar CO₂ y tratar el cáncer
Los expertos en síntesis contaron con el apoyo del laboratorio nanotech@surfaces, cuyos investigadores han desarrollado varios modelos de IA para fases MAX y MXenos. Estos modelos permiten predecir y comprender la síntesis de las fases y su geometría individual. Sin embargo, la modelización también es fundamental para la aplicación de los MXenos. "Actualmente estamos desarrollando un modelo que describe la interacción de los MXenos con el CO₂", explica Cesare Roncaglia, investigador de nanotech@surfaces.
La absorción y conversión del dióxido de carbono es una de las principales aplicaciones potenciales de los MXenos. Gracias a su gran superficie, estos materiales 2D tienen el potencial de capturar CO₂ del aire - y también de ayudar a convertirlo en materias primas utilizables, en línea con la iniciativa de investigación a gran escala Mining the Atmosphere de Empa. Sin embargo, esto no agota el potencial de los MXenos. Las versátiles nanopartículas 2D también podrían utilizarse en catálisis más amplia, almacenamiento de energía o tecnología de sensores. En medicina, ciertos MXenos prometen efectos antimicrobianos o terapias dirigidas contra el cáncer. Gallen para investigar sus efectos sobre las células vivas y el medio ambiente.
Respetuoso con el medio ambiente y escalable
La compatibilidad medioambiental también es un factor clave en la producción de MXenos. Normalmente se utilizan ácidos muy corrosivos para extraerlos de las fases MAX. Esto no sólo es peligroso para las personas y perjudicial para el medio ambiente, sino también costoso. "El proceso de mordentado es una de las razones por las que sólo se comercializan unos pocos MXenos", explica Shanyu Zhao, del laboratorio Building Energy Materials and Components. En el proyecto TailorX, él y su equipo no sólo trabajaron en las aplicaciones y la caracterización de los MXenos, sino que también desarrollaron un "método ecológico" alternativo para exfoliarlos de la fase MAX. "Nuestro método evita el uso del agresivo y peligroso ácido fluorhídrico, y todo el proceso es más eficaz y suave, lo que lo hace sostenible y escalable", afirma Zhao.
Para los investigadores, la conclusión del programa Research Booster no es más que el principio de su trabajo con estos versátiles materiales 2D. Ya han puesto en marcha otros proyectos destinados a incorporar los MXenos a una amplia gama de aplicaciones, como supercondensadores de alto rendimiento, baterías innovadoras, aerogeles aislantes electromagnéticos y sensores médicos. Al mismo tiempo, prosigue la investigación básica sobre esta joven clase de materiales. "Con su flexibilidad y adaptabilidad, los MXenos ofrecen ventajas tan grandes que las aplicaciones no tardarán en llegar", resume Jakob Heier.
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