A nano-lasanha: novos materiais 2D ganham impulso

Os materiais bidimensionais constituídos por uma única camada de átomos são atualmente objeto de intensa investigação. A sua natureza 2D confere-lhes muitas propriedades vantajosas, quer em termos de condutividade eléctrica quer de robustez mecânica, e pode conduzir a efeitos quânticos especiais. O material bidimensional mais conhecido é o grafeno, uma forma de carbono. Mas não é o único. As estrelas em ascensão no céu 2D são os chamados MXenes (pronuncia-se "maxenes").

Ao contrário do grafeno, que é constituído apenas por átomos de carbono, os MXenes podem conter um ou mais metais de transição em combinação com azoto ou carbono. São produzidos a partir das chamadas fases MAX: cristais cerâmicos com uma estrutura em camadas - "um pouco como uma lasanha", compara Jakob Heier, investigador da Empa. As camadas intermédias são removidas com a adição de ácido. As restantes camadas, que já não estão quimicamente ligadas umas às outras, são separadas num banho de ultra-sons e os MXenes estão prontos a usar.

Esta nova classe de materiais é particularmente interessante para a investigação porque: "As fases MAX podem ser constituídas por muitos elementos diferentes e combinações dos mesmos, o que nos permite produzir MXenes à medida para inúmeras aplicações", explica Heier. No entanto, até à data, estes potenciais materiais polivalentes, que só foram descobertos há cerca de 15 anos, não são amplamente utilizados nem bem compreendidos. Uma iniciativa de investigação na Empa, liderada por Jakob Heier, tem como objetivo mudar esta situação.

Perspetiva interdisciplinar

A iniciativa de investigação correspondente, TailorX, é o chamado "reforço da investigação", no âmbito do qual vários grupos de investigação da Empa trabalham em conjunto para examinar exaustivamente um tópico emergente durante um período de dois anos e estabelecê-lo como uma atividade de investigação. Cientistas de quatro laboratórios diferentes da Empa estão a trabalhar em MXenes: Polímeros Funcionais, a que está associado Jakob Heier, Cerâmica de Alto Desempenho, Materiais e Componentes de Energia para a Construção e nanotech@surfaces.

A abordagem abrangente vale a pena porque, como explica Heier, "Cobrimos todo o espetro, desde a investigação básica e a modelização até à produção de fases MAX e MXenes, passando pelas suas aplicações. Um dos grandes pontos fortes da Empa é o facto de todas estas áreas de especialização estarem reunidas num único instituto".

O projeto foi lançado em 2024 e está agora a chegar ao fim. Os co-iniciadores estão satisfeitos com os resultados. "Dispomos agora de um vasto portefólio de diferentes fases MAX que podemos sintetizar com um elevado grau de pureza", afirma Michael Stuer, do laboratório de Cerâmica de Alto Desempenho. Sintetizar os cristais precursores não é totalmente simples - não basta simplesmente misturar os elementos desejados nas proporções corretas. "Ao compreendermos melhor o processo de síntese, conseguimos sintetizar numerosas fases MAX com vários graus de complexidade química que ainda não estão disponíveis no mercado", explica Stuer.

Capturar CO₂ e tratar o cancro

Os especialistas em síntese receberam o apoio do laboratório nanotech@surfaces, cujos investigadores desenvolveram vários modelos de IA para as fases MAX e MXenes. Estes modelos permitem prever e compreender a síntese das fases e a sua geometria individual. No entanto, a modelização é também fundamental para a aplicação dos MXénios. "Estamos atualmente a desenvolver um modelo que descreve a interação dos MXenes com o CO₂", diz o investigador Cesare Roncaglia, da nanotech@surfaces.

A absorção e a conversão do dióxido de carbono é um ponto-chave entre as potenciais aplicações dos MXenes. Graças à sua grande área de superfície, estes materiais 2D têm o potencial de capturar CO₂ do ar - e também ajudar a convertê-lo em matérias-primas utilizáveis, de acordo com a iniciativa de investigação em larga escala da Empa, Mining the Atmosphere. No entanto, isto não esgota o potencial dos MXenes. As versáteis nanopartículas 2D também podem ser utilizadas em catálise mais alargada, armazenamento de energia ou tecnologia de sensores. Na medicina, certos MXenes prometem efeitos antimicrobianos ou uma terapia específica contra o cancro. Com isto em mente, os participantes no projeto estão a trabalhar com investigadores da Empa em St. Gallen para investigar os seus efeitos nas células vivas e no ambiente.

Amigo do ambiente e escalável

A compatibilidade ambiental é também uma consideração fundamental na produção de MXenes. Normalmente, são utilizados ácidos fortemente corrosivos para os extrair das fases MAX. Isto não só é perigoso para os seres humanos e prejudicial para o ambiente, como também é dispendioso. "O processo de gravação é uma das razões pelas quais apenas alguns MXenes estão disponíveis comercialmente", diz Shanyu Zhao do laboratório Building Energy Materials and Components. No projeto TailorX, ele e a sua equipa não só trabalharam nas aplicações e caraterização dos MXenes, como também desenvolveram um "método verde" alternativo para os esfoliar da fase MAX. "A nossa abordagem evita a utilização do ácido fluorídrico, agressivo e perigoso, e todo o processo é mais eficaz e suave, tornando-o sustentável e escalável", afirma Zhao.

Para os investigadores, a conclusão do programa Research Booster é apenas o início do seu trabalho com estes versáteis materiais 2D. Já lançaram outros projectos destinados a incorporar MXenes numa vasta gama de aplicações, tais como supercapacitores de alto desempenho, baterias inovadoras, aerogéis electromagneticamente isolantes e sensores médicos. Ao mesmo tempo, está em curso a investigação fundamental sobre esta jovem classe de materiais. "Com a sua flexibilidade e adaptabilidade, os MXenes oferecem vantagens tão grandes que as aplicações não tardarão a aparecer", resume Jakob Heier.