Investigadores convierten MXene en nanoscrolls que potencian baterías y sensores

Casi 15 años después de descubrir los MXenes, una clase versátil de nanomateriales conductores bidimensionales, investigadores de la Universidad de Drexel desarrollaron un método para crear una versión unidimensional conocida como nanoscrolls de MXene. Estas estructuras ultradelgadas, aproximadamente 100 veces más finas que un cabello humano, resultaron ser aún más conductivas que sus contrapartes planas y podrían mejorar significativamente tecnologías como dispositivos de almacenamiento de energía, biosensores y electrónica portátil.

La investigación, publicada en la revista Advanced Materials, presentó un método escalable para producir estos nanoscrolls a partir de precursores de MXene mientras se controlaba de manera precisa su forma y composición química.

"La morfología bidimensional es muy importante en muchas aplicaciones. Sin embargo, hay aplicaciones donde la morfología unidimensional es superior", comentó Yury Gogotsi, PhD, profesor distinguido en el Colegio de Ingeniería de Drexel y autor correspondiente del estudio. "Es como comparar hojas de acero con tubos de metal o varillas. Se necesitan hojas para fabricar carrocerías de automóviles, pero para bombear agua o reforzar el concreto, se requieren tubos o varillas largas".

De Hojas Planas a Nanostructuras Tubulares

El equipo creó los nanoscrolls enrollando copos planos de MXene en pequeñas estructuras tubulares que son aproximadamente diez mil veces más delgadas que un tubo de agua. Estos materiales en forma de tubo pueden fortalecer polímeros y metales o guiar el movimiento de iones en baterías y sistemas de desalinización con mucha menos resistencia.

"Con los MXenes 2D estándar, los copos se superponen, lo que crea un espacio confinado y un camino difícil para que los iones o moléculas naveguen entre las capas", explicó Teng Zhang, PhD, investigador postdoctoral en el Colegio de Ingeniería y coautor del estudio. "Al convertir las nanosheets 2D en scrolls 1D, prevenimos este efecto de nano-confinamiento. La geometría tubular abierta efectivamente crea 'autopistas' para el transporte rápido, permitiendo que los iones se muevan libremente".

Aunque estructuras similares hechas de grafeno, como los nanotubos de carbono, son bien conocidas, producir nanoscrolls de MXene de calidad consistente ha sido difícil. Los MXenes ofrecen ventajas sobre el grafeno, incluyendo una química más rica, un procesamiento más fácil y una mayor conductividad, pero los intentos anteriores de formar scrolls a menudo resultaron en resultados desiguales.

Método Escalable para Producir Nanoscrolls de MXene

Para fabricar los nanoscrolls, los investigadores comenzaron con copos de MXene en múltiples capas. Ajustando cuidadosamente el entorno químico, utilizaron agua para cambiar la química superficial del material. Esto desencadenó un desequilibrio estructural conocido como reacción de Janus, que creó tensión interna dentro de las capas. A medida que se liberó esta tensión, las capas se despegaron y se enrollaron en scrolls apretados.

El equipo aplicó con éxito este método a seis tipos de MXenes, incluyendo dos formas de carburo de titanio, así como carburo de niobio, carburo de vanadio, carburo de tantalio y carbonitruro de titanio. Consiguieron producir de manera consistente 10 gramos de nanoscrolls con propiedades químicas y físicas controladas.

Mejor Conductividad y Capacidades de Detección

La estructura en forma de scroll no solo mejora la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica, sino que también cambia cómo el material interactúa con las moléculas. Esto lo hace especialmente prometedor para aplicaciones de detección y materiales compuestos avanzados.

"En una estructura 2D apilada estándar, los sitios activos para la adsorción molecular a menudo están ocultos entre capas, lo que dificulta que las moléculas, especialmente las biomoléculas grandes, lleguen a ellos", afirmó Gogotsi. "La estructura abierta y hueca del scroll soluciona esto al permitir que los analitos accedan fácilmente a la superficie del MXene. Combinando con la alta conductividad y rigidez mecánica del material, esto asegura que obtengamos una señal fuerte y estable. Por lo tanto, imaginamos el uso de scrolls en biosensores. La misma superficie accesible de los scrolls conductivos puede ser útil para sensores de gas, capacitores electroquímicos y otros dispositivos que requieren acceso de iones y moléculas a las superficies".

Aplicaciones en Electrónica Portátil y Textiles Inteligentes

Los investigadores también ven un gran potencial para los nanoscrolls de MXene en electrónica portátil, también conocidos como dispositivos ionotrónicos. En estos sistemas, los scrolls podrían reforzar materiales y mejorar la conductividad. Su estructura rígida les permite anclarse dentro de polímeros suaves, añadiendo resistencia mientras mantienen una red conductiva confiable.

Esta combinación podría dar lugar a materiales elásticos que continúen funcionando incluso bajo repetidos doblados y movimientos.

El equipo también descubrió que la orientación de los nanoscrolls en solución puede controlarse mediante un campo eléctrico. Esto significa que pueden alinearse con fibras en textiles, creando recubrimientos más duraderos y conductores para telas inteligentes.

"Imagina manipular millones de tubitos 100 veces más finos que un cabello humano para hacer que construyan un cable o se mantengan en posición vertical para formar un cepillo", expresó Zhang. "Esto es tecnología de punta, ya que podemos manipular la materia a nivel nanométrico. También es un desarrollo crítico para textiles funcionales, ya que los scrolls podrían incorporarse como materiales de refuerzo en fibras sintéticas".

Superconductividad y Futuras Aplicaciones Cuánticas

De cara al futuro, los investigadores planean investigar más sobre cómo se comportan estos nanoscrolls a nivel cuántico, particularmente su potencial para la superconductividad.

"Hasta ahora, la superconductividad en esta clase de MXenes se había limitado a pellets prensados de partículas y polvos, nunca se había realizado en películas procesadas en solución con flexibilidad mecánica", comentó Gogotsi. "Al usar scrolls de carburo de niobio, observamos el cambio del material suficiente para permitir la superconductividad en películas macroscópicas independientes por primera vez. El proceso de enrollado introduce tensión y curvatura específicos de la red que están ausentes en hojas planas. Aunque el mecanismo físico exacto aún se está explorando, hipotetizamos que esta tensión, combinada con la estructura continua 1D, estabiliza el estado superconductivo".

A medida que crece el interés en los materiales cuánticos, los nanomateriales como los MXenes están ganando atención por su capacidad para mejorar la potencia de cálculo y el almacenamiento de datos. Este trabajo marca un paso importante al convertir la superconductividad del MXene en una propiedad más práctica y utilizable.

"Usando los métodos descritos en este artículo, ahora podemos procesar MXenes superconductores en películas flexibles, recubrimientos o cables a temperatura ambiente para posibles interconectores superconductores o sensores cuánticos", concluyó Zhang. "Esperamos muchos otros fenómenos interesantes causados por el enrollado y vamos a estudiarlos".

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