Quase 15 anos após a descoberta dos MXenes, uma classe versátil de nanomateriais condutores bidimensionais, os pesquisadores da Universidade Drexel desenvolveram uma maneira de criar uma versão unidimensional, agora conhecida como nanoscrolls MXene. Estas estruturas ultrafinas, cerca de 100 vezes mais finas que um fio de cabelo humano, são mais condutoras do que as suas contrapartes planas e podem melhorar significativamente tecnologias como dispositivos de poupança de energia, biossensores e dispositivos eletrónicos vestíveis.
A pesquisa está publicada na revista Materiais avançadosapresenta um método escalonável para produzir esses nanoscrolls a partir de precursores MXene, controlando com precisão sua forma e composição química.
“A morfologia bidimensional é muito importante em muitas aplicações. No entanto, existem aplicações onde a morfologia 1D é superior, “disse Yuriy Gogotsy, PhD, professor de Bach na Distinguished University e Drexel College of Engineering, que foi autor correspondente do artigo. “É como comparar uma chapa de aço a um tubo de metal ou vergalhão. São necessárias chapas para fazer a carroceria de um carro, mas são necessários tubos ou hastes longos para bombear água ou reforçar o concreto.”
De folhas planas a nanoestruturas tubulares
A equipe transformou flocos planos de MXene em minúsculas estruturas tubulares para criar nanoscrolls que são cerca de dez mil vezes mais finos que um cano de água. Esses materiais semelhantes a tubos podem reforçar polímeros e metais ou guiar o movimento de íons em baterias e sistemas de dessalinização com resistência muito menor.
“Com MXenes 2D padrão, os flocos ficam planos uns sobre os outros, criando um espaço confinado para íons ou moléculas e um caminho difícil para navegar e se mover entre as camadas”, disse Teng Zhang, PhD, pesquisador de pós-doutorado na Faculdade de Engenharia e co-autor do estudo. “Ao converter nanofolhas 2D em pergaminhos 1D, neutralizamos esse efeito de nano-confinamento. A geometria tubular aberta cria efetivamente ‘rodovias’ para transporte rápido, permitindo que os íons se movam livremente.”
Embora estruturas semelhantes feitas de grafeno, como os nanotubos de carbono, já sejam bem conhecidas, tem sido difícil produzir nanoscrolls MXene consistentes e de alta qualidade. Os MXenes oferecem vantagens sobre o grafeno, incluindo química rica, fácil processamento e alta condutividade, mas tentativas anteriores de formar pergaminhos muitas vezes levaram a resultados desiguais.
Método escalonável para fabricação de Nanoscrolls MXene
Para criar os nanoscrolls, os pesquisadores começaram com flocos MXene multicamadas. Ajustando cuidadosamente o ambiente químico, eles usam água para alterar a química da superfície do material. Isso causa um desequilíbrio estrutural denominado reação de Janus, que cria tensões internas entre as camadas. À medida que essa tensão é liberada, as camadas se desprendem e se enrolam em rolos apertados.
A equipe aplicou com sucesso este método a seis tipos de MXenes, incluindo duas formas de carboneto de titânio, bem como carboneto de nióbio, carboneto de vanádio, carboneto de tântalo e carbonitreto de titânio. Eles foram capazes de produzir consistentemente 10 g de nanoscrolls com propriedades químicas e físicas controladas.
Melhor condutividade e capacidades de detecção
A estrutura em forma de espiral não só melhora a condutividade elétrica e a resistência mecânica, mas também altera a forma como o material interage com as moléculas. Isto o torna particularmente promissor para aplicações sensíveis e materiais compósitos avançados.
“Em uma estrutura 2D empilhada padrão, os locais ativos para adsorção molecular estão frequentemente escondidos entre as camadas, dificultando o acesso das moléculas, especialmente das biomoléculas grandes”, disse Gogotsi. “A estrutura aberta e oca do scroll resolve isso, permitindo aos analitos fácil acesso à superfície do MXene. Combinado com a alta condutividade e rigidez mecânica do material, isso garante que possamos obter um sinal forte e estável. Assim, imaginamos o uso de scrolls em biossensor. A mesma superfície acessível do scroll condutor pode ser útil para outros dispositivos capgene, o que é necessário para dispositivos capsit. Íons e moléculas de superfície. “
Eletrônica vestível e aplicações têxteis inteligentes
Os pesquisadores também veem um forte potencial para nanoscrolls MXene em eletrônicos vestíveis, também conhecidos como dispositivos ionotrônicos. Nestes sistemas, os rolos podem fortalecer o material e melhorar a condutividade. Sua estrutura rígida permite que eles sejam ancorados em polímeros macios, adicionando resistência e mantendo uma rede condutora confiável.
Essa combinação pode levar a materiais elásticos que continuam a funcionar mesmo sob flexões e movimentos repetidos.
A equipe também descobriu que a orientação dos nanoscrolls em solução pode ser controlada por meio de um campo elétrico. Isto significa que podem ser alinhados com fibras têxteis, criando um revestimento mais durável e condutor para tecidos inteligentes.
“Imagine milhões de túbulos 100 vezes mais finos que um fio de cabelo humano posicionados verticalmente para formar um fio ou escova”, disse Zhang. “Esta é a verdadeira nanotecnologia, porque podemos manipular a matéria em nanoescala. É também um desenvolvimento importante para os têxteis funcionais, porque os rolos podem ser incorporados em fibras sintéticas como materiais de reforço.”
Supercondutividade e aplicações quânticas futuras
Olhando para o futuro, os investigadores planeiam investigar mais aprofundadamente como estes nanoscrolls se comportam a nível quântico, particularmente o seu potencial de supercondutividade.
“Até agora, a supercondutividade desta classe de MXenes tem sido limitada a pellets prensados de partículas e pós, com flexibilidade mecânica nunca alcançada em filmes processados em solução”, disse Gogotsi. “Usando rolos de carboneto de nióbio, observamos pela primeira vez mudanças de material grandes o suficiente para permitir a supercondutividade em filmes macroscópicos independentes. O processo de rolagem introduz deformações e curvaturas específicas na rede que estão ausentes em folhas planas. Embora o mecanismo físico exato ainda esteja sendo explorado, levantamos a hipótese de que esta estrutura, consistentemente, estabiliza o estado supercondutor até 1.200.000.000.000.000. “
À medida que cresce o interesse em materiais quânticos, nanomateriais como os MXenes estão ganhando atenção por sua capacidade de melhorar o poder de computação e o armazenamento de dados. Este trabalho marca um passo importante para tornar a supercondutividade MXene uma propriedade mais prática e utilizável.
“Usando os métodos descritos neste artigo, agora podemos processar MXenes supercondutores em filmes flexíveis, revestimentos ou fios à temperatura ambiente para potenciais interconexões supercondutoras ou sensores quânticos”, disse Zhang. “Esperamos muitos outros fenômenos interessantes causados pela rolagem e vamos estudá-los”.
