Nova via para os materiais 2D
Equipa de investigação produz MXenes ultra-limpos com excelente desempenho elétrico
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Uma equipa internacional de investigadores da TU Dresden, do Instituto Max Planck de Física das Microestruturas de Halle, do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e de instituições parceiras de toda a Europa desenvolveu um método inovador para produzir MXenes - uma importante família de materiais bidimensionais - com uma pureza e um controlo sem precedentes. O novo processo "gás-líquido-sólido" permite a síntese de MXenes puros com átomos de halogéneo uniformemente distribuídos na superfície e uma composição de superfície precisamente ajustável. O seu método aumenta drasticamente a sua condutividade eléctrica e abre as portas à eletrónica de alto desempenho, aos sensores e às tecnologias energéticas.
Descobertos pela primeira vez em 2011, os MXenes são uma classe de materiais bidimensionais inorgânicos em rápido crescimento. Cada unidade estrutural é composta por camadas de metais de transição combinados com carbono ou azoto e é terminada por átomos ligados às superfícies mais exteriores. Estas terminações superficiais desempenham um papel crucial na determinação das propriedades do material. "Influenciam fortemente a forma como os electrões se movem através do material, a sua estabilidade e a forma como interage com a luz, o calor e os ambientes químicos", explica o Dr. Mahdi Ghorbani-Asl do Instituto de Física de Feixes de Iões e Investigação de Materiais da HZDR.
Tradicionalmente, a maioria dos MXenes tem sido produzida utilizando métodos de gravação química que resultam em terminações de superfície misturadas e distribuídas aleatoriamente, como oxigénio, flúor ou cloro. "Esta desordem atómica limita o desempenho porque retém e dispersa os electrões, tal como os buracos que atrasam o trânsito numa autoestrada", descreve o Dr. Dongqi Li da TU Dresden.
O novo método GLS evita produtos químicos agressivos, utilizando materiais de partida sólidos conhecidos como fases MAX, juntamente com sais fundidos e vapor de iodo, para produzir folhas de MXene. Crucialmente, os sais fundidos e o iodo trabalham em conjunto para controlar quais os átomos de halogéneo, como o cloro, o bromo ou o iodo, que se ligam à superfície. Os resultados são MXenes com terminações de superfície altamente uniformes e bem ordenadas e um nível fortemente reduzido de impurezas.
Utilizando esta abordagem, a equipa sintetizou com sucesso MXenes a partir de oito fases MAX diferentes, mostrando que o método é amplamente aplicável. Além disso, os investigadores utilizaram cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) para obter uma visão mais profunda da forma como as terminações superficiais influenciam a estabilidade e as propriedades electrónicas dos MXenes. "Ao combinar a teoria com a nossa capacidade experimental de controlar com precisão as terminações de superfície, abrimos um novo caminho para os MXenes com maior estabilidade e propriedades funcionais adaptadas", conclui Ghorbani-Asl.
Condutividade extraordinária a partir de superfícies perfeitamente ordenadas
Para ilustrar o impacto desse avanço, os pesquisadores se concentraram em um dos representantes mais amplamente estudados dessa classe de compostos: o carboneto de titânio MXene Ti₃C₂. Quando feito usando rotas químicas convencionais, Ti₃C₂ normalmente contém uma mistura de terminações de cloro e oxigênio, o que perturba suas propriedades elétricas. Em contraste, o Ti₃C₂Cl₂ produzido através do método GLS contém apenas cloro, disposto numa estrutura altamente ordenada sem impurezas detectáveis.
"Os resultados foram impressionantes. A variante MXene terminada em cloro mostrou um aumento de 160 vezes na condutividade macroscópica e um aumento de 13 vezes na condutividade terahertz em comparação com o mesmo material feito por métodos tradicionais. Além disso, foi observado um aumento de quase quatro vezes na mobilidade dos portadores de carga, uma medida fundamental da liberdade com que os electrões se movem através de um material", resume Li.
Estes ganhos de desempenho resultam diretamente da química da superfície mais limpa. Com todos os átomos de cloro ordenadamente dispostos na superfície do MXene, os electrões encontram menos obstáculos e podem fluir mais suavemente. As simulações de transporte quântico confirmaram que as superfícies uniformes reduziram o aprisionamento e a dispersão de electrões, fornecendo uma explicação microscópica clara para as melhorias medidas.
Adaptação de materiais 2D para as tecnologias do futuro
Para além do transporte elétrico, o estudo mostra que a afinação do tipo de halogéneo de superfície também altera a forma como os MXenes absorvem as ondas electromagnéticas. Isto significa que os materiais podem ser concebidos para aplicações específicas, tais como revestimentos que absorvem radares, blindagem electromagnética e componentes sem fios da próxima geração. Por exemplo, os MXenes terminados em cloro apresentam uma forte absorção na gama de frequências de 14-18 GHz, enquanto os MXenes terminados em bromo e iodo absorvem em diferentes janelas de frequência.
O método também fornece uma plataforma poderosa para a conceção de MXenes com propriedades de superfície adaptadas. Ao misturar diferentes sais de halogenetos, os investigadores produziram MXenes com terminações de halogéneo duplas ou mesmo triplas e rácios controlados com precisão. Esta capacidade de "ajustar" a composição da superfície oferece um novo conjunto de ferramentas para personalizar os MXenes para aplicações em eletrónica, catálise, armazenamento de energia, fotónica e outras.
Em geral, o estudo representa um avanço significativo na química do MXene. Pela primeira vez, ele demonstra uma rota de síntese suave e amplamente aplicável que produz MXenes altamente ordenados com terminações de superfície precisamente controladas. De acordo com os autores, o método GLS poderá acelerar o desenvolvimento de materiais da próxima geração para eletrónica flexível, tecnologias de comunicação de alta velocidade e dispositivos optoelectrónicos avançados.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Dongqi Li, Wenhao Zheng, Mahdi Ghorbani-Asl, Juliane Scheiter, Kamil Sobczak, Silvan Kretschmer, Josef Polčák, Pranjali Hirasing Jadhao, Paweł P. Michałowski, Ruoling Yu, Jiaxu Zhang, Jinxin Liu, Jingwei Du, Quanquan Guo, Ehrenfried Zschech, Tomáš Šikola, Mischa Bonn, Nicolás Pérez, Kornelius Nielsch, Arkady V. Krasheninnikov, Hai I. Wang, Minghao Yu, Xinliang Feng; "Triphasic synthesis of MXenes with uniform and controlled halogen terminations"; Nature Synthesis, 2026-1-6
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