Un avance en MXenes aumenta la conductividad 160 veces con orden atómico perfecto

Los MXenes, una familia de materiales ultradelgados y de alta tecnología, han sido transformados gracias a un nuevo avance que promete mejorar significativamente su rendimiento. Descubiertos en 2011, estos materiales están compuestos por capas apiladas de metales de transición combinados con carbono o nitrógeno, y los átomos en sus superficies son cruciales para su comportamiento. Según Dr. Mahdi Ghorbani-Asl del Instituto de Física de Iones y Investigación de Materiales en HZDR, "Estos átomos influyen fuertemente en el movimiento de electrones, la estabilidad del material y su interacción con la luz, el calor y los entornos químicos".

Tradicionalmente, los MXenes se producían mediante un proceso de grabado químico que dejaba una mezcla desordenada de átomos de superficie, lo que limitaba su rendimiento al atrapar y dispersar electrones. Dr. Dongqi Li de TU Dresden compara este desorden con "baches que ralentizan el tráfico en una carretera".

El nuevo método, denominado GLS, adopta un enfoque diferente. En lugar de utilizar químicos agresivos, parte de materiales sólidos conocidos como fases MAX y emplea sales fundidas junto con vapor de yodo para formar láminas de MXene. Esta técnica permite controlar qué átomos halógenos, como cloro, bromo o yodo, se adhieren a la superficie, logrando un material mucho más limpio y ordenado.

Los investigadores demostraron la versatilidad de este enfoque produciendo MXenes a partir de ocho fases MAX diferentes. Además, utilizaron cálculos de teoría funcional de densidad (DFT) para comprender cómo estos cambios en la superficie afectan el rendimiento, abriendo así un camino hacia MXenes con propiedades funcionales mejoradas.

Al enfocarse en el MXene de carburo de titanio Ti₃C₂, uno de los más estudiados, los investigadores mostraron que al producirlo con el método GLS, lograron crear Ti₃C₂Cl₂, una versión con átomos de cloro dispuestos en una estructura ordenada y sin impurezas detectables. Los resultados fueron sorprendentes: esta variante de MXene mostró un incremento de 160 veces en la conductividad macroscópica y un aumento de 13 veces en la conductividad terahercios, además de casi cuadruplicar la movilidad de los portadores de carga.

Estos avances se atribuyen a la superficie más suave y consistente, que permite que los electrones se muevan más libremente. Las simulaciones de transporte cuántico confirmaron que la estructura ordenada reduce la trampa y dispersión de electrones, explicando así el aumento de rendimiento observado.

Además de la conductividad eléctrica, el estudio indica que cambiar el tipo de halógeno en la superficie altera cómo los MXenes interactúan con ondas electromagnéticas. Esto abre la posibilidad de diseñar materiales para usos específicos, incluyendo recubrimientos absorbentes de radar y tecnologías inalámbricas avanzadas.

El método GLS también permite una mayor personalización, ya que al combinar diferentes sales halógenas, los investigadores lograron crear MXenes con dos o incluso tres tipos de halógenos en proporciones controladas. Esta capacidad de ajustar la composición superficial ofrece una nueva forma de diseñar materiales para aplicaciones en electrónica, catálisis, almacenamiento de energía y fotónica.

En resumen, este trabajo representa un avance importante en la química de los MXenes, introduciendo una manera más suave y ampliamente aplicable de producir materiales con superficies altamente ordenadas y química controlada. Según los investigadores, este enfoque podría acelerar el desarrollo de tecnologías de próxima generación, incluyendo electrónica flexible, sistemas de comunicación de alta velocidad y dispositivos optoelectrónicos avanzados.

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