Nuova via per i materiali 2D

Scoperti per la prima volta nel 2011, gli MXeni sono una classe di materiali inorganici bidimensionali in rapida crescita. Ogni unità strutturale è composta da strati di metalli di transizione combinati con carbonio o azoto ed è terminata da atomi attaccati alle superfici più esterne. Queste terminazioni superficiali svolgono un ruolo cruciale nel determinare le proprietà del materiale. "Influenzano fortemente il modo in cui gli elettroni si muovono nel materiale, la sua stabilità e il modo in cui interagisce con la luce, il calore e gli ambienti chimici", spiega il dott. Mahdi Ghorbani-Asl dell'Istituto di fisica dei fasci ionici e ricerca sui materiali dell'HZDR.

Tradizionalmente, la maggior parte degli MXeni è stata prodotta con metodi di incisione chimica che hanno portato a terminazioni superficiali miste e distribuite in modo casuale, come ossigeno, fluoro o cloro. "Questo disordine atomico limita le prestazioni perché intrappola e disperde gli elettroni, proprio come le buche che rallentano il traffico su un'autostrada", spiega il dottor Dongqi Li della TU di Dresda.

Il nuovo metodo GLS evita l'uso di sostanze chimiche aggressive utilizzando materiali di partenza solidi noti come fasi MAX, insieme a sali fusi e vapore di iodio, per produrre fogli di MXene. In particolare, i sali fusi e lo iodio lavorano insieme per controllare quali atomi di alogeni, come cloro, bromo o iodio, si attaccano alla superficie. I risultati sono MXeni con terminazioni superficiali altamente uniformi e ben ordinate e un livello di impurità fortemente ridotto.

Utilizzando questo approccio, il team ha sintetizzato con successo MXeni da otto diverse fasi MAX, dimostrando che il metodo è ampiamente applicabile. Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato calcoli di teoria funzionale della densità (DFT) per capire meglio come le terminazioni superficiali influenzino la stabilità e le proprietà elettroniche degli MXeni. "Combinando la teoria con la nostra capacità sperimentale di controllare con precisione le terminazioni superficiali, apriamo una nuova strada verso MXeni con maggiore stabilità e proprietà funzionali personalizzate", conclude Ghorbani-Asl.

Eccezionale conduttività da superfici perfettamente ordinate

Per illustrare l'impatto di questa scoperta, i ricercatori si sono concentrati su uno dei rappresentanti più studiati di questa classe di composti: il carburo di titanio MXene Ti₃C₂. Quando viene prodotto utilizzando le vie chimiche convenzionali, il Ti₃C₂ contiene tipicamente una miscela di terminazioni di cloro e ossigeno, che ne altera le proprietà elettriche. Al contrario, il Ti₃C₂Cl₂ prodotto con il metodo GLS contiene solo cloro, disposto in una struttura altamente ordinata senza impurità rilevabili.

"I risultati sono stati sorprendenti. La variante di MXene terminata con cloro ha mostrato un aumento di 160 volte della conduttività macroscopica e di 13 volte della conduttività terahertz rispetto allo stesso materiale prodotto con metodi tradizionali. Inoltre, è stato osservato un aumento di quasi quattro volte della mobilità dei portatori di carica, una misura chiave della libertà di movimento degli elettroni in un materiale", riassume Li.

Questi guadagni in termini di prestazioni derivano direttamente dalla chimica di superficie più pulita. Con tutti gli atomi di cloro disposti in modo ordinato sulla superficie dell'MXene, gli elettroni incontrano meno ostacoli e possono scorrere più agevolmente. Le simulazioni di trasporto quantistico hanno confermato che le superfici uniformi riducono l'intrappolamento e la dispersione degli elettroni, fornendo una chiara spiegazione microscopica dei miglioramenti misurati.

Materiali 2D su misura per le tecnologie di domani

Oltre al trasporto elettrico, lo studio dimostra che la regolazione del tipo di alogeni di superficie cambia anche il modo in cui gli MXene assorbono le onde elettromagnetiche. Ciò significa che i materiali possono essere progettati per applicazioni specifiche come rivestimenti che assorbono i radar, schermature elettromagnetiche e componenti wireless di nuova generazione. Ad esempio, gli MXeni terminati con cloro mostrano un forte assorbimento nella gamma di frequenza 14-18 GHz, mentre gli MXeni terminati con bromo e iodio assorbono in finestre di frequenza diverse.

Il metodo fornisce anche una potente piattaforma per la progettazione di MXeni con proprietà superficiali personalizzate. Mescolando diversi sali di alogenuri, i ricercatori hanno prodotto MXeni con terminazioni alogene doppie o addirittura triple e rapporti controllati con precisione. Questa capacità di "comporre" la composizione della superficie offre un nuovo kit di strumenti per personalizzare gli MXeni per applicazioni nell'elettronica, nella catalisi, nell'immagazzinamento dell'energia, nella fotonica e in altri settori.

Nel complesso, lo studio rappresenta un progresso significativo nella chimica degli MXeni. Per la prima volta, dimostra un percorso di sintesi delicato e ampiamente applicabile che produce MXeni altamente ordinati con terminazioni superficiali controllate con precisione. Secondo gli autori, il metodo GLS potrebbe accelerare lo sviluppo di materiali di nuova generazione per l'elettronica flessibile, le tecnologie di comunicazione ad alta velocità e i dispositivi optoelettronici avanzati.