Quase 15 anos depois de descobrir o MXene, um nanomaterial condutor bidimensional versátil, pesquisadores da Universidade Drexel desenvolveram agora um método para criar uma versão unidimensional chamada nanorolls MXene. Estas estruturas ultrafinas, que são cerca de 100 vezes mais finas que um fio de cabelo humano e ainda mais condutoras do que estruturas planas, poderiam melhorar significativamente tecnologias como dispositivos de armazenamento de energia, biossensores e dispositivos eletrónicos vestíveis.
A pesquisa está publicada na revista materiais avançadosintroduzem um método escalável 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 algumas aplicações onde a morfologia unidimensional é superior, “disse o Dr. Yury Gogotsi, autor correspondente do artigo e professor de Bach da Distinguished University e da Drexel School of Engineering. “É como comparar placas de aço com tubos de metal ou vergalhões. Você precisa de placas de aço para fazer a carroceria de um carro, mas precisa de tubos longos ou hastes para bombear água ou reforçar concreto.”
De nanoestruturas planas a tubulares
A equipe criou nanoscrolls enrolando folhas planas de MXene em minúsculas estruturas tubulares cerca de 10.000 vezes mais finas que canos de água. Esses materiais tubulares podem fortalecer polímeros e metais, ou orientar o movimento de íons em baterias e sistemas de dessalinização, com muito menos resistência.
“Com o MXene 2D padrão, as folhas ficam planas umas sobre as outras, o que cria um espaço limitado e caminhos difíceis para os íons ou moléculas navegarem e se moverem entre as camadas, “disse o Dr. Teng Zhang, pós-doutorado na Escola de Engenharia e co-autor do estudo. “Ao converter nanofolhas 2D em pergaminhos 1D, podemos evitar esse efeito de nanoconfinamento. A geometria do tubo aberto cria efetivamente uma ‘rodovia’ para transporte rápido, permitindo que os íons se movam livremente.”
Embora estruturas semelhantes feitas de grafeno, como nanotubos de carbono, já sejam bem conhecidas, tem sido difícil produzir nanorolls MXene consistentes e de alta qualidade. O MXene tem vantagens sobre o grafeno, incluindo uma composição química mais rica, processamento mais fácil e maior condutividade elétrica, mas as primeiras tentativas de formar pergaminhos muitas vezes resultaram em resultados irregulares.
Método escalável para produção de nanoscrolls MXene
Para criar os nanoscrolls, os pesquisadores começaram com camadas de folhas MXene. Ajustando cuidadosamente o ambiente químico, eles usaram água para alterar a química da superfície do material. Isso desencadeia um desequilíbrio estrutural denominado reação dicotômica, que cria tensões internas nas camadas. Quando essa tensão é liberada, as camadas se soltam e se enrolam em um rolo apertado.
A equipe aplicou com sucesso este método a seis tipos de MXene, incluindo duas formas de carboneto de titânio, bem como carboneto de nióbio, carboneto de neodímio, carboneto de tântalo e carbonitreto de titânio. Eles foram capazes de produzir consistentemente 10 gramas 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 de detecção e materiais compósitos avançados.
“Em estruturas bidimensionais empilhadas padrão, os locais ativos para adsorção molecular estão frequentemente escondidos entre as camadas, o que os torna difíceis de serem alcançados por moléculas, especialmente biomoléculas grandes”, disse Gogotsi. “A estrutura aberta e oca da espiral resolve esse problema, permitindo que os analitos acessem facilmente a superfície do MXene. Combinada com a alta condutividade elétrica e rigidez mecânica do material, isso garante a obtenção de um sinal forte e estável. Portanto, imaginamos usar a espiral em biossensor. A mesma superfície acessível da espiral condutora pode ser adequada para sensores de gás, capacitores eletroquímicos e outros dispositivos que requerem acesso à superfície com moléculas. “
Aplicações em eletrônicos vestíveis e têxteis inteligentes
Os pesquisadores também veem um grande potencial para os nanorolls MXene em eletrônicos vestíveis, também conhecidos como dispositivos eletrônicos iônicos. Nestes sistemas, os vórtices fortalecem o material e aumentam a condutividade. Sua estrutura rígida permite que sejam ancorados em polímeros macios, agregando resistência e mantendo uma rede condutora confiável.
Esta combinação pode levar a materiais elásticos que continuam a funcionar mesmo após repetidas dobras e movimentos.
A equipe de pesquisa também descobriu que a orientação dos nanoscrolls em solução pode ser controlada por meio de campos elétricos. Isso significa que eles podem se alinhar com as fibras dos têxteis, criando revestimentos mais duráveis e condutores para tecidos inteligentes.
“Imagine manipular milhões de tubos finos, 100 vezes mais finos que um fio de cabelo humano, para que formem uma linha ou fiquem verticalmente para formar um pincel”, disse Zhang. “Esta é a verdadeira nanotecnologia porque podemos manipular a matéria em escala nanométrica. É também um desenvolvimento fundamental para os têxteis funcionais, já que os pergaminhos podem atuar como reforços nas fibras sintéticas.”
Supercondutividade e futuras aplicações quânticas
No futuro, os pesquisadores planejam investigar mais detalhadamente o desempenho desses nanoscrolls no nível quântico, especificamente seu potencial supercondutor.
“Até agora, a supercondutividade deste tipo de MXene tem sido limitada a partículas prensadas de grânulos e pós e nunca foi alcançada em filmes processados em solução mecanicamente flexíveis”, disse Gogotsi. “Ao usar rolos de carboneto de nióbio, observamos pela primeira vez que o material muda o suficiente para atingir a supercondutividade em um filme macroscópico independente. O processo de rolagem introduz deformações e curvaturas específicas na rede que não estão presentes em folhas planas. Embora os mecanismos físicos exatos ainda estejam sendo explorados, levantamos a hipótese de que essa deformação, combinada com uma estrutura unidimensional contínua, estabiliza o estado supercondutor. “
À medida que o interesse em materiais quânticos continua a crescer, nanomateriais como o MXene estão recebendo atenção por sua capacidade de melhorar o poder de computação e o armazenamento de dados. Este trabalho marca um passo importante na transformação da supercondutividade MXene em propriedades mais práticas.
“Usando o método descrito neste artigo, agora podemos processar MXene supercondutor à temperatura ambiente em filmes flexíveis, revestimentos ou fios para potenciais interconexões supercondutoras ou sensores quânticos”, disse Zhang. “Esperamos que a rolagem cause muitos outros fenômenos interessantes e os estudaremos.”
