La nano-lasagna: i nuovi materiali 2D guadagnano terreno
Un team di ricerca sviluppa una sintesi ecologica di MXene senza il pericoloso acido fluoridrico per la scalabilità industriale
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Non c'è solo il grafene: in un progetto interdisciplinare, i ricercatori dell'Empa si sono concentrati su una nuova classe di materiali bidimensionali noti come MXeni. Questo versatile gruppo di materiali è adatto a un'ampia gamma di applicazioni, dall'accumulo di energia alla medicina. Il team del progetto ha compiuto progressi significativi nella modellazione e nella sintesi degli MXeni.
I materiali bidimensionali costituiti da un singolo strato di atomi sono attualmente oggetto di intense ricerche. La loro natura bidimensionale conferisce loro molte proprietà vantaggiose, sia in termini di conducibilità elettrica che di robustezza meccanica, e può portare a particolari effetti quantistici. Il materiale bidimensionale più noto è il grafene, una forma di carbonio. Ma non è l'unico. Gli astri nascenti del cielo 2D sono chiamati MXeni (pronuncia "maxenes").
A differenza del grafene, che consiste solo di atomi di carbonio, gli MXeni possono contenere uno o più metalli di transizione in combinazione con azoto o carbonio. Sono prodotti dalle cosiddette fasi MAX: cristalli di ceramica con una struttura a strati - "un po' come una lasagna", paragona il ricercatore dell'Empa Jakob Heier. Gli strati intermedi vengono eliminati con l'aggiunta di acido. Gli strati rimanenti, che non sono più chimicamente legati l'uno all'altro, vengono separati l'uno dall'altro in un bagno a ultrasuoni e gli MXene sono pronti per essere utilizzati.
Questa nuova classe di materiali è particolarmente interessante per la ricerca perché: "Le fasi MAX possono essere costituite da molti elementi diversi e da loro combinazioni, consentendoci di produrre MXeni su misura per numerose applicazioni", spiega Heier. Tuttavia, ad oggi, questi potenziali materiali tuttofare, scoperti solo circa 15 anni fa, non sono né ampiamente utilizzati né ben compresi. Un'iniziativa di ricerca dell'Empa guidata da Jakob Heier mira a cambiare questa situazione.
Una prospettiva interdisciplinare
L'iniziativa di ricerca corrispondente, TailorX, è un cosiddetto booster di ricerca in cui diversi gruppi di ricerca all'interno dell'Empa lavorano insieme per esaminare a fondo un argomento emergente per un periodo di due anni e stabilirlo come attività di ricerca. Scienziati di quattro diversi laboratori dell'Empa stanno lavorando su MXenes: Polimeri funzionali, a cui è associato Jakob Heier, Ceramica ad alte prestazioni, Materiali e componenti energetici per l'edilizia e Nanotech@surfaces.
L'approccio globale è utile perché, come spiega Heier, "copriamo l'intero spettro, dalla ricerca di base e la modellazione alla produzione di fasi MAX e MXeni, fino alle loro applicazioni". Uno dei grandi punti di forza dell'Empa è che tutte queste aree di competenza sono riunite in un unico istituto".
Il progetto, avviato nel 2024, si sta ora concludendo. I co-iniziatori sono soddisfatti dei risultati ottenuti. "Ora disponiamo di un ampio portafoglio di diverse fasi MAX che possiamo sintetizzare con un elevato grado di purezza", afferma Michael Stuer del laboratorio High-Performance Ceramics. La sintesi dei cristalli precursori non è del tutto semplice: non basta mescolare gli elementi desiderati nelle giuste proporzioni. "Comprendendo meglio il processo di sintesi, siamo riusciti a sintetizzare numerose fasi MAX con vari gradi di complessità chimica che non sono ancora disponibili sul mercato", spiega Stuer.
Catturare la CO₂ e curare il cancro
Gli esperti di sintesi hanno ricevuto il supporto del laboratorio nanotech@surfaces, i cui ricercatori hanno sviluppato diversi modelli di intelligenza artificiale per le fasi MAX e gli MXeni. Questi modelli consentono di prevedere e comprendere la sintesi delle fasi e la loro geometria individuale. Tuttavia, la modellazione è fondamentale anche per l'applicazione degli MXeni. "Attualmente stiamo sviluppando un modello che descrive l'interazione degli MXeni con il CO₂", spiega il ricercatore di nanotech@surfaces Cesare Roncaglia.
L'assorbimento e la conversione dell'anidride carbonica è un punto chiave tra le potenziali applicazioni degli MXeni. Grazie alla loro ampia superficie, questi materiali 2D hanno il potenziale per catturare il CO₂ dall'aria - e anche per contribuire a convertirlo in materie prime utilizzabili, in linea con l'iniziativa di ricerca su larga scala dell'Empa Mining the Atmosphere. Tuttavia, questo non esaurisce il potenziale degli MXene. Le versatili nanoparticelle 2D potrebbero essere utilizzate anche nella catalisi, nell'immagazzinamento di energia o nella tecnologia dei sensori. In medicina, alcuni MXeni promettono effetti antimicrobici o terapie mirate contro il cancro. In quest'ottica, i partecipanti al progetto stanno collaborando con i ricercatori dell'Empa di San Gallo per studiare i loro effetti sulle cellule viventi e sull'ambiente.
Rispettoso dell'ambiente e scalabile
Anche la compatibilità ambientale è un aspetto fondamentale nella produzione di MXeni. In genere si utilizzano acidi fortemente corrosivi per incidere le fasi MAX. Questo non solo è pericoloso per le persone e dannoso per l'ambiente, ma è anche costoso. "Il processo di incisione è uno dei motivi per cui solo pochi MXeni sono disponibili in commercio", spiega Shanyu Zhao del laboratorio Building Energy Materials and Components. Nel progetto TailorX, lui e il suo team non solo hanno lavorato sulle applicazioni e sulla caratterizzazione degli MXeni, ma hanno anche sviluppato un "metodo verde" alternativo per esfoliarli dalla fase MAX. "Il nostro approccio evita l'uso dell'acido fluoridrico, aggressivo e pericoloso, e l'intero processo è più efficace e delicato, rendendolo sostenibile e scalabile", spiega Zhao.
Per i ricercatori, la conclusione del programma Research Booster è solo l'inizio del loro lavoro con questi versatili materiali 2D. Hanno già avviato altri progetti volti a incorporare gli MXeni in un'ampia gamma di applicazioni, come supercondensatori ad alte prestazioni, batterie innovative, aerogel isolanti elettromagnetici e sensori medici. Allo stesso tempo, è in corso la ricerca di base su questa giovane classe di materiali. "Con la loro flessibilità e adattabilità, gli MXeni offrono vantaggi così grandi che le applicazioni non tarderanno ad arrivare", riassume Jakob Heier.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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