Como funcionam verdadeiramente os MXenes
Nova técnica ilumina os nanomateriais de nova geração
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Os investigadores mediram pela primeira vez as verdadeiras propriedades de flocos individuais de MXene - um novo e excitante nanomaterial com potencial para melhores baterias, eletrónica flexível e dispositivos de energia limpa. Utilizando uma nova técnica baseada na luz, denominada micro-elipsometria espectroscópica, descobriram como os MXene se comportam ao nível de um único floco, revelando alterações na condutividade e na resposta ótica que anteriormente estavam ocultas quando se estudavam apenas camadas empilhadas. Esta descoberta fornece os conhecimentos fundamentais e as ferramentas necessárias para conceber tecnologias mais inteligentes e mais eficientes alimentadas por MXenes.
Os cientistas fizeram um grande avanço na compreensão das propriedades intrínsecas fundamentais dos MXenes - uma classe de materiais aclamada pela sua promessa no armazenamento de energia da próxima geração e na eletrónica avançada.
Os MXenes (pronuncia-se max-eens) são materiais ultra-finos com apenas alguns átomos de espessura, célebres pela sua capacidade de conduzir eletricidade, armazenar energia e interagir com a luz. Até agora, no entanto, a maioria dos estudos examinou os MXenes na sua forma a granel - como películas finas compostas por muitos flocos sobrepostos. Essa abordagem, embora útil, mascarava as propriedades únicas dos flocos individuais, deixando perguntas sem resposta sobre o seu verdadeiro potencial.
O novo estudo foi liderado pelo Dr. Andreas Furchner do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), juntamente com o Dr. Ralfy Kenaz do Instituto de Física da Universidade Hebraica (HUJI) - uma forte colaboração entre os grupos de investigação do Dr. Tristan Petit e do Prof. Ronen Rapaport, respetivamente. Ronen Rapaport, respetivamente. Revela, pela primeira vez, como se comportam os flocos individuais de MXene quando isolados e estudados à nanoescala. Os resultados foram recentemente publicados na ACS Nano, uma das principais revistas de nanociência e nanotecnologia do mundo.
A elipsometria é uma das técnicas ópticas não invasivas mais avançadas para a caraterização de materiais. No entanto, os elipsómetros convencionais têm dificuldade em medir áreas inferiores a 50 microns - aproximadamente a largura de um cabelo humano - o que os torna inadequados para analisar as estruturas microscópicas comuns na tecnologia e investigação modernas. Como resultado, as medições elipsométricas em MXenes têm sido limitadas a películas finas macroscópicas feitas de flocos empilhados e sobrepostos. Esta limitação tem impedido medições diretas de flocos individuais de MXene, cujas dimensões laterais são muito mais pequenas, dificultando assim uma verdadeira compreensão das suas propriedades intrínsecas.
Para resolver o problema, os investigadores utilizaram uma técnica avançada e patenteada que desenvolveram e que designam por micro-elipsometria espectroscópica (SME) - essencialmente uma espécie de "impressão digital ótica" - que lhes permitiu medir as propriedades ópticas, estruturais e electrónicas de flocos individuais de MXene com elevada resolução lateral e sem os danificar. No estudo, flocos individuais de MXene de diferentes espessuras foram sintetizados na HZB e enviados para a HUJI para medições SME. Foram efectuadas medições complementares à escala nanométrica no Nano Center do HUJI, e todas as análises de dados foram realizadas em colaboração por ambos os grupos.
Ao fazer incidir luz com estados de polarização definidos em flocos microscópicos tão finos como uma única camada molecular e ao analisar a forma como a luz é reflectida, os investigadores mapearam a forma como a capacidade do material para conduzir eletricidade e interagir com a luz muda em função da espessura e das propriedades estruturais. Descobriram que, à medida que os flocos de MXene se tornam mais finos, a sua resistência eléctrica aumenta - uma informação essencial para a construção de dispositivos fiáveis e de elevado desempenho.
O método foi tão preciso que se equiparou a ferramentas de imagiologia à escala nanométrica, como a microscopia de força atómica (AFM) e a microscopia eletrónica de transmissão de varrimento (STEM), confirmando o seu poder como ferramenta de diagnóstico não invasiva.
O Dr. Furchner do Helmholtz-Zentrum Berlin, que trouxe a sua vasta experiência em elipsometria para o campo do MXene, observou: "Medir a forma como flocos individuais de MXene despolarizam a luz permitiu-nos identificar variações estruturais intra-floco na espessura ao nível nanométrico. Ficámos entusiasmados ao ver como os resultados coincidem com técnicas destrutivas como a STEM".
O Dr. Kenaz da Universidade Hebraica, criador e co-inventor da técnica SME, afirmou: "O que é verdadeiramente notável neste trabalho é que, em menos de um minuto, podemos medir diretamente as propriedades ópticas, a espessura, as propriedades estruturais e a condutividade de flocos individuais de MXene - tudo de uma forma não destrutiva. Normalmente, estas medições requerem três instrumentos diferentes, são demoradas e destrutivas e, no final, não são tão fiáveis como a microelipsometria espectroscópica."
O Dr. Petit, do Helmholtz-Zentrum Berlin, acrescentou: "Isto abre novos campos de investigação para a caraterização operando, que anteriormente só eram possíveis com técnicas de sincrotrão como a STXM (Scanning Transmission X-ray Microscopy). Dispomos agora de uma técnica nova e de elevado rendimento para compreender como os MXénios evoluem em diferentes ambientes - uma ferramenta de laboratório que complementa as experiências de imagiologia de raios X, por exemplo".
Os MXenes estão a ser explorados para uma vasta gama de aplicações - desde baterias ultra-rápidas e sistemas de purificação de água a eletrónica flexível e recolha de energia solar. Compreender como o material se comporta ao nível de um único floco é essencial para conceber dispositivos que sejam simultaneamente eficientes e escaláveis.
Rapaport, da Universidade Hebraica, acrescentou: "Este trabalho fornece um roteiro para a integração dos MXenes em tecnologias reais, oferecendo uma visão direta das suas propriedades intrínsecas, sem a interferência de camadas empilhadas ou impurezas. Ao aperfeiçoar a forma como estudamos estes materiais utilizando a nossa técnica SME, estamos a preparar o caminho para a sua utilização em dispositivos optoelectrónicos, soluções energéticas e muito mais".
O estudo não só revela conhecimentos fundamentais sobre os MXenes, como também estabelece a microelipsometria espectroscópica como um novo padrão para a análise de materiais 2D. Com esta descoberta, os cientistas de todo o mundo poderão em breve adquirir a capacidade de analisar da mesma forma outros nanomateriais emergentes.
Como concluiu o Dr. Petit do Helmholtz-Zentrum Berlin: "Esta é uma poderosa demonstração de como a colaboração internacional e a física avançada podem acelerar a ciência dos materiais. Os MXenes são apenas o começo".
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Publicação original
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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