Come funzionano davvero gli MXene
Una tecnica innovativa illumina i nanomateriali di nuova generazione
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I ricercatori hanno misurato per la prima volta le reali proprietà dei singoli fiocchi di MXene, un nuovo ed entusiasmante nanomateriale che potrebbe migliorare le batterie, l'elettronica flessibile e i dispositivi per l'energia pulita. Utilizzando una nuova tecnica basata sulla luce, chiamata micro-ellissometria spettroscopica, hanno scoperto come si comportano gli MXeni a livello di singolo fiocco, rivelando cambiamenti nella conduttività e nella risposta ottica che prima erano nascosti quando si studiavano solo gli strati impilati. Questa scoperta fornisce le conoscenze fondamentali e gli strumenti necessari per progettare tecnologie più intelligenti ed efficienti alimentate dagli MXeni.
Gli scienziati hanno fatto un passo avanti nella comprensione delle proprietà intrinseche fondamentali degli MXeni, una classe di materiali acclamati per le loro promesse nell'immagazzinamento di energia di prossima generazione e nell'elettronica avanzata.
Gli MXeni (pronunciati max-eens) sono materiali ultrasottili dello spessore di pochi atomi, famosi per la loro capacità di condurre elettricità, immagazzinare energia e interagire con la luce. Finora, tuttavia, la maggior parte degli studi ha esaminato gli MXeni in forma massiva, come film sottili composti da molte scaglie sovrapposte. Questo approccio, pur essendo utile, mascherava le proprietà uniche dei singoli fiocchi, lasciando domande senza risposta sul loro vero potenziale.
Il nuovo studio è stato condotto dal Dr. Andreas Furchner dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), insieme al Dr. Ralfy Kenaz dell'Istituto di Fisica della Hebrew University (HUJI) - una forte collaborazione tra i gruppi di ricerca del Dr. Tristan Petit e del Prof. Ronen Rapaport, rispettivamente. Lo studio rivela per la prima volta come si comportano i singoli fiocchi di MXene quando vengono isolati e studiati su scala nanometrica. I risultati sono stati recentemente pubblicati su ACS Nano, una delle più importanti riviste di nanoscienza e nanotecnologia del mondo.
L'ellissometria è una delle tecniche ottiche non invasive più avanzate per la caratterizzazione dei materiali. Tuttavia, gli ellissometri convenzionali hanno difficoltà a misurare aree più piccole di 50 micron - all'incirca la larghezza di un capello umano - rendendoli inadatti ad analizzare le strutture microscopiche comuni nella tecnologia e nella ricerca moderne. Di conseguenza, le misure ellissometriche su MXenes sono state limitate a film sottili macroscopici fatti di scaglie sovrapposte. Questa limitazione ha impedito di effettuare misure dirette di singoli fiocchi di MXene, le cui dimensioni laterali sono molto più piccole, ostacolando così una reale comprensione delle loro proprietà intrinseche.
Per risolvere il problema, i ricercatori hanno impiegato una tecnica avanzata e brevettata da loro sviluppata e chiamata micro-ellissometria spettroscopica (SME) - essenzialmente una sorta di "impronta digitale ottica" - che ha permesso di misurare le proprietà ottiche, strutturali ed elettroniche di singoli fiocchi di MXene con un'alta risoluzione laterale e senza danneggiarli. Nello studio, singoli fiocchi di MXene di vario spessore sono stati sintetizzati in HZB e inviati all'HUJI per le misure SME. Le misure complementari su scala nanometrica sono state eseguite presso il Nano Center dell'HUJI e tutte le analisi dei dati sono state eseguite in collaborazione da entrambi i gruppi.
Irradiando luce con stati di polarizzazione definiti su microscopici fiocchi sottili come un singolo strato molecolare e analizzando il modo in cui la luce viene riflessa, i ricercatori hanno mappato come la capacità del materiale di condurre l'elettricità e interagire con la luce cambi a seconda dello spessore e delle proprietà strutturali. Hanno scoperto che, man mano che i fiocchi di MXene diventano più sottili, la loro resistenza elettrica aumenta: un'intuizione fondamentale per costruire dispositivi affidabili e ad alte prestazioni.
Il metodo è stato così preciso da essere all'altezza di strumenti di imaging su scala nanometrica come la microscopia a forza atomica (AFM) e la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM), confermando il suo potere come strumento diagnostico non invasivo.
Il Dr. Furchner dell'Helmholtz-Zentrum Berlin, che ha portato la sua vasta esperienza nell'ellissometria nel campo dell'MXene, ha osservato: "Misurare il modo in cui i singoli fiocchi di MXene depolarizzano la luce ci ha permesso di individuare le variazioni strutturali di spessore all'interno dei fiocchi a livello nanometrico. Siamo stati entusiasti di vedere quanto i risultati corrispondano a tecniche distruttive come STEM".
Il Dr. Kenaz della Hebrew University, sviluppatore e co-inventore della tecnica SME, ha dichiarato: "L'aspetto veramente eccezionale di questo lavoro è che in meno di un minuto possiamo misurare direttamente le proprietà ottiche, lo spessore, le proprietà strutturali e la conduttività dei singoli fiocchi di MXene, il tutto in modo non distruttivo. Normalmente, queste misure richiedono tre strumenti diversi, richiedono molto tempo e sono distruttive e, alla fine, non sono affidabili come la micro-ellissometria spettroscopica".
Il Dr. Petit dell'Helmholtz-Zentrum Berlin ha aggiunto: "Questo apre nuovi campi di ricerca per la caratterizzazione operatoria, che in precedenza erano possibili solo con tecniche di sincrotrone come la STXM (microscopia a scansione a trasmissione di raggi X). Ora disponiamo di una tecnica innovativa e ad alto rendimento per capire come gli MXeni si evolvono in ambienti diversi - uno strumento di laboratorio che integra, ad esempio, gli esperimenti di imaging a raggi X".
Gli MXeni vengono studiati per un'ampia gamma di applicazioni, dalle batterie ultraveloci ai sistemi di purificazione dell'acqua, dall'elettronica flessibile alla raccolta dell'energia solare. Capire come si comporta il materiale a livello di singolo fiocco è essenziale per progettare dispositivi efficienti e scalabili.
Il Prof. Rapaport della Hebrew University ha aggiunto: "Questo lavoro fornisce una tabella di marcia per l'integrazione degli MXeni nelle tecnologie reali, offrendo una visione diretta delle loro proprietà intrinseche, senza l'interferenza di strati impilati o impurità. Affinando il modo di studiare questi materiali con la nostra tecnica SME, stiamo aprendo la strada al loro utilizzo nei dispositivi optoelettronici, nelle soluzioni energetiche e non solo."
Lo studio non solo sblocca le conoscenze fondamentali sugli MXeni, ma stabilisce anche la micro-ellissometria spettroscopica come nuovo standard per l'analisi dei materiali 2D. Grazie a questa scoperta, gli scienziati di tutto il mondo potrebbero presto acquisire la capacità di analizzare altri nanomateriali emergenti nello stesso modo.
Come ha concluso il dottor Petit dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino: "Questa è una potente dimostrazione di come la collaborazione internazionale e la fisica avanzata possano accelerare la scienza dei materiali. Gli MXeni sono solo l'inizio".
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Pubblicazione originale
Ralfy Kenaz, Saptarshi Ghosh, Mailis Lounasvuori, Namrata Sharma, Sergei Remennik, Atzmon Vakahi, Hadar Steinberg, Tristan Petit, Ronen Rapaport, Andreas Furchner; "Optical, Structural, and Charge Transport Properties of Individual Ti3C2Tx MXene Flakes via Micro-Ellipsometry and Beyond"; ACS Nano, 2025-9-30
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