Los investigadores han medido por primera vez las verdaderas propiedades de las escamas individuales de MXene, un nuevo nanomaterial con potencial para mejores baterías, electrónica flexible y dispositivos de energía limpia. Este avance proporciona el conocimiento y las herramientas fundamentales necesarias para diseñar tecnologías más inteligentes y eficientes impulsadas por MXenes.
Los científicos han logrado un gran avance en la comprensión de las propiedades intrínsecas fundamentales de MXenes, una clase de materiales aclamados por su promesa en el almacenamiento de energía de próxima generación y la electrónica avanzada.
Los MXenes son materiales ultradelgados de solo unos pocos átomos de grosor, famosos por su capacidad para conducir electricidad, almacenar energía e interactuar con la luz. Hasta ahora, sin embargo, la mayoría de los estudios examinaban MXenes a granel, como películas delgadas formadas por muchas escamas superpuestas. Ese enfoque, aunque útil, enmascaró las propiedades únicas de las escamas individuales, dejando preguntas sin respuesta sobre su verdadero potencial.
El nuevo estudio fue 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, una fuerte colaboración entre los grupos de investigación del Dr. Tristan Petit y el Prof. Ronen Rapaport, respectivamente.
por primera vez revela cómo se comportan las escamas individuales de MXene cuando se aíslan y estudian a nanoescala. Los hallazgos se publicaron recientemente en ACS Nano, una de las principales revistas de nanociencia y nanotecnología 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 menores de 50 micrones, aproximadamente el ancho de un cabello humano, lo que los hace inadecuados para analizar las estructuras microscópicas comunes en la tecnología y la investigación modernas. Como resultado, las mediciones de elipsometría en MXenes se han limitado a películas delgadas macroscópicas hechas de escamas apiladas y superpuestas. Esta limitación ha impedido las mediciones directas de las escamas individuales de MXene, cuyas dimensiones laterales son mucho más pequeñas, 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 llamaron microelipsometría espectroscópica (SME), esencialmente una especie de “huella dactilar óptica”, que les permitió medir las propiedades ópticas, estructurales y electrónicas de las escamas de MXene individuales con alta resolución lateral y sin dañarlas. En el estudio, se sintetizaron escamas individuales de MXene de diferentes espesores en HZB y se enviaron a HUJI para mediciones SME. Se realizaron mediciones complementarias a nanoescala en el Nano Center de HUJI, y ambos grupos llevaron a cabo todos los análisis de datos en colaboración.
Al hacer brillar la luz con estados de polarización definidos en escamas microscópicas tan delgadas como una sola capa molecular y analizar cómo se reflejaba esa luz, los investigadores mapearon cómo cambia la capacidad del material para conducir electricidad e interactuar con la luz según el grosor y las propiedades estructurales. Descubrieron que a medida que las escamas de MXene se vuelven más delgadas, su resistencia eléctrica aumenta, una visión crítica para construir dispositivos confiables y de alto rendimiento.
El método era tan preciso que combinaba herramientas de imágenes a nanoescala como la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), lo que confirma su poder como herramienta de diagnóstico no invasiva.
El Dr. Furchner de Helmholtz-Zentrum Berlín, quien aportó su amplia experiencia en elipsometría al campo MXene, señaló: “Medir cómo las escamas individuales de MXene despolarizan la luz nos permitió identificar las variaciones estructurales intra-escamas en el espesor a nivel nano. Nos entusiasmó ver qué tan bien coinciden los resultados con técnicas destructivas como STEM”.
El Dr. Kenaz de la Universidad Hebrea, desarrollador y coinventor de la técnica SME, dijo: “Lo que es realmente sobresaliente con este trabajo es que, en menos de un minuto, podemos medir directamente las propiedades ópticas, el grosor, las propiedades estructurales y la conductividad de las escamas individuales de MXene, todo de una manera no destructiva. Normalmente, estas mediciones requieren tres instrumentos diferentes, requieren mucho tiempo y son destructivas y, al final, no son tan confiables como la microelipsometría espectroscópica”.
El Dr. Petit del Helmholtz-Zentrum de Berlín agregó: “Esto abre nuevos campos de investigación para la caracterización operando, que anteriormente solo eran posibles con técnicas de sincrotrón como STXM (microscopía de rayos X de transmisión de barrido). Ahora tenemos una técnica novedosa y de alto rendimiento para comprender cómo evolucionan los MXenes en diferentes entornos, una herramienta de laboratorio que complementa los experimentos de imágenes de rayos X, por ejemplo”.
MXenes se está explorando para una amplia gama de aplicaciones, desde baterías ultrarrápidas y sistemas de purificación de agua hasta electrónica flexible y recolección de energía solar. Comprender cómo se comporta el material a nivel de una sola escama es esencial para diseñar dispositivos que sean eficientes y escalables.
El profesor Rapaport de la Universidad Hebrea agregó: “Este trabajo proporciona una hoja de ruta para integrar MXenes en tecnologías reales al ofrecer una visión directa de sus propiedades intrínsecas, sin la interferencia de capas apiladas o impurezas. Al refinar la forma en que estudiamos estos materiales utilizando nuestra técnica SME, estamos allanando el camino para su uso en dispositivos optoelectrónicos, soluciones energéticas y más”.
El estudio no solo desbloquea el conocimiento fundamental sobre MXenes, sino que también establece la microelipsometría espectroscópica como un nuevo estándar para analizar materiales 2D. Con este avance, los científicos de todo el mundo pronto podrán adquirir la capacidad de probar otros nanomateriales emergentes de la misma manera.
Como concluyó el Dr. Petit del Helmholtz-Zentrum de Berlín: “Esta es una poderosa demostración de cómo la colaboración internacional y la física avanzada pueden acelerar la ciencia de los materiales. MXenes son solo el comienzo”.
El documento de investigación titulado “Optical, Structural, and Charge Transport Properties of Individual Ti3C2Tx MXene Flakes via Micro-Ellipsometry and Beyond”, ya está disponible en ACS Nano.
Investigadores:
Ralfy Kenaz1, Saptarshi Ghosh1, Mailis Lounasvuori2, Namrata Sharma2, Sergei Remennik3, Atzmon Vakahi3, Hadar Steinberg1,3, Tristan Petit2, Ronen Rapaport1 y Andreas Furchner2.
Instituciones:
1) Instituto de Física Racah, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, Nanoscale Solid-Liquid Interfaces, Schwarzschildstraße 8, 12489 Berlín, Alemania.
3) Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
