Os MXenes estão revolucionando a nanotecnologia com o auxílio da espectroscopia Raman.

Yury Gogotsi, Ph.D., é um dos co-inventores dos MXenes (pronuncia-se "maxines"). Considerado o próximo grande salto evolutivo em nanomateriais bidimensionais e na ciência dos materiais em geral, o MXene pode oferecer inúmeros benefícios, como armazenamento de energia de alta potência (imagine uma bateria de carro carregando em poucos minutos), condutividade elétrica metálica, flexibilidade e transparência, requisitos essenciais para tecnologias vestíveis.

Gogotsi é especialista nas áreas de Ciência e Engenharia de Materiais e Nanotecnologia, além de ser um distinto professor universitário e professor Bach na Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel.

No entanto, a descoberta de camadas bidimensionais de carbono chamadas grafeno gerou grande entusiasmo nos últimos 15 anos. Estas são camadas monoatômicas de átomos de carbono [1], que possuem propriedades físicas extremas, incluindo resistência mecânica e condutividade térmica, que permitem aplicações do grafeno no armazenamento de energia, revestimentos protetores, sensores e eletrônica [2].

Após investimentos bilionários, as empresas começam a encontrar aplicações práticas para o grafeno, mas este é apenas um dos materiais: existem muitos outros nanomateriais bidimensionais. Há o nitreto de boro, que possui uma rede hexagonal de átomos semelhante à do grafeno, porém com átomos de carbono e nitrogênio alternados. O nitreto de boro, o dissulfeto de molibdênio e alguns outros materiais bidimensionais são utilizados há muitos anos como lubrificantes, mas atualmente estão impulsionando avanços nas áreas de eletrônica, comunicações, catálise e armazenamento de energia.

Os MXenes são carbetos e nitretos de metais de transição bidimensionais em nanoescala, com átomos de carbono ou nitrogênio intercalados entre camadas metálicas. Sua condutividade metálica e natureza hidrofílica conferem-lhes uma combinação única de propriedades. Imagine-os como as lâminas metálicas solúveis em água mais finas possíveis ou como uma argila condutora. Os MXenes podem ser usados como blocos de construção e combinados com outras lâminas bidimensionais para construir qualquer tipo de estrutura com as propriedades desejadas e programadas por computador. Eles podem aumentar a resistência e a condutividade de polímeros e, por serem hidrofílicos, podem ser utilizados na fabricação de tintas ou corantes à base de água.

Cerca de 50 MXenes com diversas combinações de átomos de metal, carbono e nitrogênio, bem como grupos funcionais de superfície, como oxigênio ou halogênios, já foram relatados. Mais de 100 composições simples foram previstas. No entanto, como é possível organizar e misturar átomos de muitas maneiras diferentes, um número virtualmente infinito de materiais pode ser produzido nesse sistema, cada um com propriedades únicas. Isso abre novos horizontes no mundo dos materiais.

Em todos os nanomateriais, o confinamento em camadas finas impede que ondas eletromagnéticas, luz, elétrons ou fônons (vibrações na rede cristalina) se propaguem perpendicularmente à superfície. Isso produz efeitos interessantes. Materiais comuns simplesmente adquirem propriedades diferentes e muito úteis.

“Precisamos aprender a montar melhor dispositivos e materiais artificiais no futuro, combinando essas diversas folhas bidimensionais com diferentes propriedades”, disse Gogotsi.

O plano inicial de Gogotsi não era criar novos carbetos bidimensionais. "Começamos tentando produzir um material para ânodos de baterias de íon-lítio", disse ele. "E acabamos criando toda uma família de materiais bidimensionais. É assim que a pesquisa às vezes acontece."

O processo começa com a pesquisa fundamental e, muitas vezes, é marcado por muitas decepções, mas pode eventualmente levar ao sucesso se houver persistência. "Trabalhamos a partir da ciência básica, da descoberta científica fundamental, até a aplicação prática", disse Gogotsi. "E às vezes falhamos. Em muitos casos, falhamos porque fazemos algo que ninguém fez antes. É esperado que você falhe. Mas às vezes temos sucesso, e temos um sucesso estrondoso."

Entre essas descobertas estão novos materiais. Os pesquisadores determinam as propriedades de novos materiais e aprendem a controlá-los em nanoescala para obter controle sobre suas propriedades. Em seguida, eles determinam como essas propriedades e esses materiais podem ser úteis, desenvolvendo aplicações.

Por exemplo, houve várias descobertas interessantes de novos materiais morfológicos de carbono, como o desenvolvimento de um método para fabricar carbonos porosos derivados de carbetos, que são usados em supercapacitores para armazenamento de energia eletroquímica, e os cientistas têm usado esses materiais para alcançar progresso em diversas áreas, incluindo capacitores eletroquímicos.

Os MXenes foram descritos pela primeira vez em um artigo publicado em 2011. Mas Gogotsi afirmou que o momento foi infeliz, já que o grafeno concentrava a maior parte do interesse científico naquele período. Assim, os pesquisadores inicialmente ignoraram os MXenes. Mas, assim que Gogotsi e outros pesquisadores começaram a produzir cada vez mais MXenes diferentes e a demonstrar propriedades que superavam as de muitos outros materiais em diversas áreas, o interesse aumentou drasticamente.

Mas o desenvolvimento de MXenes e outros materiais bidimensionais exigiu uma mudança na filosofia científica.

“Vamos voltar à Idade da Pedra”, disse Gogotsi. “O que os humanos antigos faziam? Eles pegavam um pedaço de pedra, osso ou madeira e esculpiam algo nele, como uma faca. Era assim que as pessoas produziam materiais inicialmente: pegavam o material disponível e esculpiam algo.”

Então o mundo passou para a Idade do Bronze e, depois, para a Idade do Ferro. Os humanos aprenderam a fundir materiais e a produzir peças de metal. E, novamente, a esculpir algo a partir desse material. O mesmo aconteceu com os polímeros e os plásticos. As pessoas produziam a maior parte do plástico ou do polímero e moldavam objetos a partir dele.

No entanto, você tem uma quantidade limitada de materiais. Você sempre perde uma grande quantidade de material ao fabricar componentes. Na nova era, em vez de esculpir ou remover materiais para criar um componente ou um dispositivo, estamos montando-os a partir de folhas bidimensionais com espessura nanométrica.

“O mundo está caminhando para uma era em que usaremos blocos de construção com espessura nanométrica, na ordem de angstroms, materiais bidimensionais e nanotubos unidimensionais, como nanofios e pontos unidimensionais, e poderemos começar a montá-los”, disse ele.

“Assim, em vez de pegar um grande pedaço de material e esculpir algo nele, como na tecnologia de gravação em silício, estamos combinando nanoflocos e nanopartículas para produzir materiais com propriedades que não existem na natureza.”

Isso está realmente nos levando a uma nova era, onde podemos construir materiais a partir de blocos de construção atomicamente finos, materiais bidimensionais, nanotubos e nanofios unidimensionais, nanopontos zero-dimensionais, e os cientistas podem começar a montá-los de novas maneiras.

Os materiais bidimensionais são importantes hoje em dia, assim como o mundo está caminhando em direção à eletrônica vestível, eletrônica impressa e à internet das coisas. Quando se deseja criar objetos vestíveis, flexíveis, imprimíveis e transparentes, são necessárias camadas extremamente finas de materiais. São necessários materiais que possam ser colocados em uma impressora jato de tinta e impressos ou pulverizados como tinta em uma parede, a partir de uma solução, para criar um dispositivo. É exatamente isso que todos esses nanomateriais proporcionam.

Trata-se de uma tecnologia de última geração, que já encontra inúmeras aplicações em corantes condutores, etiquetas inteligentes e revestimentos de película fina em telas de celulares.

Os nanomateriais estão a invadir todos os campos da atividade humana. Os telemóveis são tão pequenos devido aos componentes feitos de nanomateriais. Dentro deles encontram-se nanotubos de carbono, que contêm nanopartículas. Existem vários tipos de dispositivos eletrónicos de película fina que contêm nanomateriais.

Seu suéter é feito de fibras que possuem um componente natural em nanoescala e são produzidas por humanos ou pela natureza e modificadas por humanos.

Os MXenes podem ir além. Por exemplo, à medida que avançamos para um mundo de comunicação 5G, precisaremos de antenas em todos os lugares. Convencionalmente, elas são feitas de folha de cobre, com 10 ou 20 mícrons de espessura. No entanto, não podemos imprimir folha de cobre com os materiais atuais. Mas os MXenes podem ser misturados com água, transformados em uma tinta e usados para imprimir antenas. Essas antenas impressas têm um desempenho quase igual ao das antenas de cobre, mas são cerca de 10 vezes mais finas e leves.

Conforme mencionado, os MXenes mantêm sua flexibilidade, resistência e condutividade, além de oferecerem outros benefícios em aplicações de comunicação.

Em 2016, diplomatas dos EUA e do Canadá em Cuba começaram a apresentar doenças incomuns. Os sintomas incluíam tontura, perda de equilíbrio, perda auditiva, ansiedade e algo que descreveram como "névoa cognitiva". Passou a ser conhecido como "Síndrome de Havana". Um surto semelhante ocorreu na China no início de 2018. [3]

Investigações do governo dos EUA atribuíram a causa das doenças à radiação de micro-ondas direcionada, ou energia de radiofrequência pulsada.

As propriedades do MXene podem fornecer blindagem contra interferência eletromagnética para proteger contra ataques semelhantes no futuro. Devido à sua flexibilidade e alta condutividade, os MXenes podem ser incorporados em têxteis. [4] Na verdade, os MXenes podem fornecer melhor blindagem contra interferência eletromagnética do que o metal sólido, disse Gogotsi.

Da comunicação ao armazenamento de energia e à medicina, os MXenes têm o potencial de mudar a forma como vivemos. Eles têm sido explorados em diversas áreas, desde lasers a eletrodos médicos e cerebrais; da eletrônica e optoeletrônica a sensores; e até janelas transparentes capazes de produzir e armazenar energia elétrica.

Imagine um celular que carrega em um minuto. Ou um Tesla que não precisa ficar conectado à tomada durante a noite. Nosso objetivo é ter uma bateria que armazene muita energia, mas que possa ser carregada rapidamente. Os MXenes, materiais eletricamente condutores que não necessitam de difusão em estado sólido, ao contrário dos materiais de bateria atualmente utilizados, podem nos ajudar a alcançar esse objetivo.

Em aplicações biomédicas, por exemplo, descobriu-se que os MXenes absorvem ureia. Gogotsi está trabalhando com nefrologistas para desenvolver materiais para diálise. No futuro, os cientistas poderão usar MXenes para fabricar rins portáteis para pessoas cuja vida depende da diálise.

“É simplesmente um novo mundo de materiais”, disse Gogotsi. “E é por isso que acreditamos que seja verdadeiramente revolucionário. Não estamos falando de um material que altera uma aplicação ou melhora algo em uma aplicação específica. Estamos falando de uma nova maneira de fabricar materiais, montá-los em dispositivos e uma maneira de fazer coisas que não podiam ser feitas antes.”

No entanto, provavelmente levará de quatro a cinco anos até que os primeiros produtos MXene sejam comercializados. Muitas empresas estão explorando aplicações neste momento.

“Antes, levava de 15 a 25 anos desde a descoberta de um material até sua introdução na tecnologia”, disse Gogotsi. “Agora, o ciclo é mais curto, mas ainda leva alguns anos, e lembre-se de que bilhões de dólares foram investidos no desenvolvimento do grafeno e em suas aplicações. Desde o Prêmio Nobel de Grafeno em 2010, o projeto Graphene Flagship na Europa recebe US$ 100 milhões por ano em financiamento, além de uma enorme quantidade de recursos em outros lugares. Os MXenes estão recebendo uma ninharia em comparação a isso.”

Mas a pesquisa sobre MXenes está se acelerando.

“Da última vez que verifiquei, os dados mostravam que a pesquisa está acontecendo em todos os continentes”, disse ele. “E o que isso significa? Que descobertas inovadoras estão por vir e que aplicações comerciais estão a caminho.”

Novos materiais ultrafinos não podem ser vistos a olho nu — são necessárias ferramentas para caracterizá-los. Ou seja, ninguém pode realmente fazer muito com esse material ou se beneficiar de suas características em nanoescala, do confinamento bidimensional e de suas propriedades sem conhecer sua estrutura.

“As técnicas de espectroscopia óptica são, em grande parte, os métodos mais rápidos e, na verdade, os menos dispendiosos para a caracterização de materiais, particularmentea espectroscopia Raman”, disse Gogotsi. “Ela se tornou a ferramenta principal no mundo da caracterização de materiais bidimensionais.”

Por exemplo, para materiais em massa, a difração de raios X costumava ser a principal ferramenta. Mas, se observarmos nanomateriais de carbono, como nanotubos e grafeno, os pesquisadores têm recorrido à espectroscopia Raman, porque é possível obter um espectro de uma única partícula em uma determinada localização. "Se quisermos contar o número de camadas em uma folha de grafeno ou determinar o diâmetro de um nanotubo de carbono, usamos a espectroscopia Raman, não a microscopia. E é exatamente aí que a espectroscopia se torna uma ferramenta essencial para o estudo de nanomateriais."

“É possível registrar um espectro em segundos ou menos”, disse Gogotsi. “Você pode fazer pesquisas em um laboratório ou realizar o controle de qualidade em uma linha de produção por meio de uma sonda de fibra óptica. É aqui que a espectroscopia realmente se tornou a primeira ferramenta para caracterização. Se quisermos saber a qualidade de um material, usamos a espectroscopia Raman. Se quisermos detectar a degradação de nossos materiais, usamos a espectroscopia. Se quisermos ver a composição das partículas, novamente, usamos a espectroscopia Raman.”

A espectroscopia Raman fornece uma impressão digital útil da química e da estrutura de nanomateriais. Asia Sarycheva, aluna de doutorado de Gogotsi, criou uma biblioteca de espectros Raman de MXenes. Como resultado, para controle de qualidade, é possível analisar o espectro Raman do material e verificar se ele corresponde às expectativas. Além disso, é possível observar o espectro e constatar, por exemplo, a presença de picos mais intensos, o que permite avaliar a qualidade do material ou o número de monocamadas presentes nos flocos.

“Podemos caracterizar flocos individuais em um substrato, sob o microscópio”, disse ele. “Podemos caracterizar um filme e obter o valor médio para todo o filme ou mapear a superfície, mas também podemos analisar, com espectroscopia Raman, flocos em solução coloidal, porque geralmente começamos processando a solução. A ferramenta é realmente versátil.”

Um artigo que Gogotsi publicou com um colega em 2008 sobre materiais para capacitores eletroquímicos tornou-se o segundo artigo de ciência dos materiais mais citado no século ^XXI, segundo ele, atrás apenas do grafeno. Agora, sua nova descoberta promete igualar ou superar essa marca devido ao interesse mundial pelos MXenes.

À medida que a pesquisa sobre as propriedades e aplicações dos MXenes se intensifica, nos aproximamos da exploração do potencial desses materiais únicos. Embora possa levar até meados da década de 2020 para começarmos a concretizar esse potencial, a miríade de pesquisas aponta para uma revolução nos avanços tecnológicos em áreas que vão da energia à eletrônica e à medicina, principalmente em tecnologias flexíveis e vestíveis.

[1] D'Angelo, M., Matsuda, I. Camadas monoatômicas bidimensionais, Capítulo 1 - Noções básicas e famílias de camadas monoatômicas: Materiais 2D de camada única, 2019, Páginas 3-22.

[2] Graphene-info, 2020.

[3] 'Síndrome de Havana' provavelmente causada por micro-ondas direcionadas - relatório dos EUA. BBC. 6 de dezembro de 2020.

[4] Shahzad, F, Alhabeb, M., Hatter, C, Anasor, B, Hong, SM, Koo, CM, Gogotsi, Y. Blindagem de interferência eletromagnética com carbetos de metais de transição 2D (MXenes). Science. 9 de setembro de 2016. Vol. 353, Edição 6304, pp. 1137-1140.

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