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Um novo processo que permite aos cientistas cortar e unir quimicamente camadas nanoscópicas de materiais bidimensionais – como um alfaiate alterando um terno – pode ser apenas a ferramenta para projetar a tecnologia de um futuro de energia sustentável. Pesquisadores da Drexel University, na China e na Suécia, desenvolveram um método para dividir, editar e reconstituir estruturalmente materiais em camadas, chamados de fases MAX e MXenes, com o potencial de produzir novos materiais com composições muito incomuns e propriedades excepcionais.
Uma “tesoura química” é um produto químico projetado para reagir com um composto específico para quebrar uma ligação química. O conjunto original de tesouras químicas, projetado para quebrar ligações carbono-hidrogênio em moléculas orgânicas, foi relatado há mais de uma década. Em um artigo recentemente publicado em Ciênciaa equipe internacional relatou um método para afiar as tesouras para que possam cortar nanomateriais em camadas extremamente fortes e estáveis de uma maneira que quebre as ligações atômicas dentro de um único plano atômico e, em seguida, substitua novos elementos – alterando fundamentalmente a composição do material em um “recorte” químico único.
“Esta pesquisa abre uma nova era da ciência dos materiais, permitindo a engenharia atomística de materiais bidimensionais e em camadas”, disse Yury Gogotsi, PhD, professor universitário distinto e cadeira de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel, autor da pesquisa. “Estamos mostrando uma maneira de montar e desmontar esses materiais como blocos de LEGO, o que levará ao desenvolvimento de novos materiais empolgantes que nem sequer foram previstos para serem capazes de existir até agora”.
Gogotsi e seus colaboradores na Drexel têm estudado as propriedades de uma família de nanomateriais em camadas chamados MXenes, que eles descobriram em 2011. Os MXenes começam como um material precursor chamado fase MAX; “MAX” é um portmanteau químico que significa as três camadas do material: M, A e X. A aplicação de um ácido forte à fase MAX remove quimicamente a camada A, criando um material com camadas mais porosas — com um A-less apelido: MXene.
A descoberta veio logo após o entusiasmo mundial sobre um nanomaterial bidimensional chamado grafeno, considerado o material mais forte existente quando a equipe de pesquisadores que o descobriu ganhou o prêmio Nobel em 2010. A descoberta do grafeno expandiu a busca por outros materiais atomicamente finos materiais com propriedades extraordinárias — como MXenes.
A equipe da Drexel tem explorado assiduamente as propriedades dos materiais MXene, levando a descobertas sobre sua excepcional condutividade elétrica, durabilidade e capacidade de atrair e filtrar compostos químicos, entre outros. Mas, de certa forma, o potencial dos MXenes foi limitado desde o início pela maneira como são produzidos e pelo conjunto limitado de fases MAX e decapantes que podem ser usados para criá-los.
“Anteriormente, só podíamos produzir novos MXenes ajustando a química da fase MAX ou o ácido usado para cauterizá-la”, disse Gogotsi. “Embora isso nos permitisse criar dezenas de MXenes e prever que muitas outras dezenas poderiam ser criadas, o processo não permitia muito controle ou precisão.”
Por outro lado, o processo que a equipe – liderada por Gogotsi e Qing Huang, PhD, professor da Academia Chinesa de Ciências – relatou em seu Ciência artigo explica que, “edição estrutural mediada por tesoura química de carbonetos de metal de transição em camadas,” é mais como realizar uma cirurgia, de acordo com Gogotsi.
O primeiro passo é usar um protocolo de condicionamento de sal fundido ácido de Lewis (LAMS) que remove a camada A, como de costume, mas também é capaz de substituí-la por outro elemento, como o cloro. Isso é significativo porque coloca o material em um estado químico tal que suas camadas podem ser cortadas usando um segundo conjunto de tesouras químicas, compostas de um metal, como o zinco. Essas camadas são as matérias-primas das fases MAX, o que significa que a adição de um pouco de “argamassa” química – um processo chamado intercalação – permite que a equipe construa suas próprias fases MAX, que podem ser usadas para criar novos MXenes, personalizados para melhorar propriedades específicas.
“Esse processo é como fazer um corte cirúrgico na estrutura do MAX, descascando as camadas e depois reconstruindo com novas e diferentes camadas de metal”, disse Gogotsi. “Além de poder produzir químicas novas e incomuns, o que é fundamentalmente interessante, também podemos fazer novas e diferentes fases MAX e usá-las para produzir MXenes que são adaptados para otimizar várias propriedades.”
Além de construir novas fases MAX, a equipe também relatou o uso do método para criar MXenes que podem hospedar novos “átomos convidados” que anteriormente não seriam capazes de acomodar quimicamente – expandindo ainda mais a família de materiais MXene.
“Esperamos que este trabalho leve a uma grande expansão do já grande espaço de materiais em camadas e bidimensionais”, disse Gogotsi. “Novos MXenes que não poderiam ser produzidos a partir de precursores MAX convencionais estão se tornando possíveis. Claro, espera-se que novos materiais com estrutura e propriedades incomuns permitam novas tecnologias.”
O próximo passo para esta pesquisa, de acordo com Gogotsi, é a delaminação de carbonetos em camadas bidimensionais e tridimensionais, bem como carbonetos bidimensionais intercalados com metal, em nanofolhas de uma e poucas camadas. Isso permitirá que os pesquisadores caracterizem suas propriedades fundamentais para otimizar os novos materiais para uso em armazenamento de energia, eletrônica e outras aplicações.
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