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O segredo para um croissant perfeito são as camadas – o maior número possível, cada uma intercalada com manteiga. Da mesma forma, um novo material com promessa de novas aplicações é feito de muitas camadas extremamente finas de metal, entre as quais os cientistas podem colocar diferentes íons para diversos fins. Isso os torna potencialmente muito úteis para futuros eletrônicos de alta tecnologia ou armazenamento de energia.
Até recentemente, esses materiais – conhecidos como MXenes, pronuncia-se “max-eens” – eram tão trabalhosos quanto bons croissants feitos em uma padaria francesa.
Mas uma nova descoberta feita por cientistas da Universidade de Chicago mostra como fazer esses MXenes com muito mais rapidez e facilidade, com menos subprodutos tóxicos.
Os pesquisadores esperam que a descoberta, publicada em 24 de março na Ciênciaestimulará novas inovações e abrirá caminho para o uso de MXenes em eletrônicos e dispositivos do dia a dia.
economia atômica
Quando foram descobertos em 2011, os MXenes deixaram muitos cientistas muito animados. Normalmente, quando você raspa um metal como ouro ou titânio para criar folhas de espessura atômica, ele para de se comportar como um metal. Mas ligações químicas extraordinariamente fortes em MXenes permitem que eles retenham as habilidades especiais do metal, como conduzir eletricidade fortemente.
Eles também são facilmente personalizáveis: “Você pode colocar íons entre as camadas para usá-los para armazenar energia, por exemplo”, disse o estudante de graduação em química Di Wang, co-autor do artigo junto com o pós-doutorando Chenkun Zhou.
Todas essas vantagens podem tornar os MXenes extremamente úteis para a construção de novos dispositivos – por exemplo, para armazenar eletricidade ou bloquear a interferência de ondas eletromagnéticas.
No entanto, a única maneira que conhecíamos de fazer MXenes envolvia várias etapas intensivas de engenharia química, incluindo o aquecimento da mistura a 3.000 ° F, seguido de um banho em ácido fluorídrico.
“Isso é bom se você estiver fazendo alguns gramas para experimentos em laboratório, mas se quiser fazer grandes quantidades para usar em produtos comerciais, isso se tornará um grande problema de descarte de resíduos corrosivos”, explicou Dmitri Talapin, o Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry na Universidade de Chicago, nomeado conjuntamente no Argonne National Laboratory e autor correspondente no artigo.
Para projetar um método mais eficiente e menos tóxico, a equipe usou os princípios da química – em particular a “economia atômica”, que busca minimizar o número de átomos desperdiçados durante uma reação.
A equipe da UChicago descobriu novas reações químicas que permitem aos cientistas produzir MXenes a partir de precursores simples e baratos, sem o uso de ácido fluorídrico. Consiste em apenas uma etapa: misturar vários produtos químicos com o metal que você deseja fazer camadas e, em seguida, aquecer a mistura a 1.700 ° F. “Então você abre e lá estão eles”, disse Wang.
O método mais fácil e menos tóxico abre novos caminhos para os cientistas criarem e explorarem novas variedades de MXenes para diferentes aplicações – como diferentes ligas metálicas ou diferentes aromas de íons. A equipe testou o método com os metais titânio e zircônio, mas acredita que a técnica também pode ser usada para muitas outras combinações diferentes.
“Esses novos MXenes também são visualmente bonitos”, acrescentou Wang. “Eles se erguem como flores – o que pode até torná-los melhores para reações, porque as bordas são expostas e acessíveis para que íons e moléculas se movam entre as camadas de metal”.
O estudante de pós-graduação Wooje Cho também foi co-autor do artigo. A exploração foi possível graças à ajuda de colegas da UChicago em todos os departamentos, incluindo o químico teórico Suri Vaikuntanathan, o diretor do centro de pesquisa de raios-X Alexander Filatov e os eletroquímicos Chong Liu e Mingzhan Wang da Pritzker School of Molecular Engineering. A microscopia eletrônica foi realizada por Robert Klie e Francisco Lagunas da University of Illinois Chicago.
Parte da pesquisa foi realizada por meio de Materiais Avançados para Sistemas de Água e Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos, um Centro de Pesquisa de Fronteira Energética; o Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da Universidade de Chicago; e no Centro de Materiais em Nanoescala do Argonne National Laboratory.
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