Yury Gogotsi, Ph.D.
Yury Gogotsi, Ph.D., es coinventor de MXenes (pronunciado 'maxines'). Se presenta como el próximo salto evolutivo en los nanomateriales bidimensionales y en la ciencia de materiales en general, y podría aportar innumerables beneficios como almacenamiento de energía de alta potencia (piensa en una batería de coche cargando en pocos minutos), conductividad eléctrica metálica, flexibilidad y transparencia necesarias para la tecnología wearable.
Gogotsi es experto en los campos de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Nanotecnología, y profesor universitario distinguido y de grado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Drexel.
Sin embargo, la emoción de los últimos 15 años rodeó el descubrimiento de capas bidimensionales de carbono llamadas grafeno. Estas son capas monoatómicas de átomos de carbono[1], que poseen propiedades físicas extremas, incluyendo resistencia mecánica y conductividad térmica, que permiten aplicaciones del grafeno en almacenamiento de energía, recubrimientos protectores, sensores y electrónica [2].
Tras inversiones de miles de millones de dólares, las empresas empiezan a encontrar aplicaciones prácticas para el grafeno, pero es solo un material: existen muchos otros nanomateriales bidimensionales. Existe el nitruro de boro, que tiene una red hexagonal de átomos en forma de malla de gallinería como el grafeno, pero con átomos alternados de carbono y nitrógeno. Nitruro de boro, disulfuro de molibdeno y algunos otros materiales bidimensionales se han utilizado durante muchos años como lubricantes, pero actualmente están impulsando los avances en electrónica, comunicaciones, catálisis y almacenamiento de energía.
Estructuras típicas de MXenes, donde las esferas rojas muestran átomos metálicos y las pequeñas esferas negras muestran átomos de carbono (Crédito de la imagen: Dr. Armin Vahid Mohammadi).
Los MXenos son carburos y nitruros de metales de transición bidimensionales a nanoescala con átomos de carbono o nitrógeno intercalados entre capas metálicas. Su conductividad metálica y naturaleza hidrofílica les otorgan una combinación única de propiedades. Considéralos como las láminas metálicas o arcilla conductora más finas y solubles en agua. Los MXenes pueden usarse como bloques de construcción y combinarse con otras láminas bidimensionales para construir cualquier tipo de estructura con las propiedades deseadas y programadas por ordenador. Pueden mejorar la resistencia y conductividad de los polímeros y, al ser hidrofílicos, pueden convertirse en pinturas o tintes a base de agua.
Se han reportado unos 50 MXenes con diversas combinaciones de átomos de metal, carbono y nitrógeno, así como grupos funcionales superficiales, como oxígeno o halógenos. Se han predicho más de 100 composiciones sencillas. Sin embargo, dado que se pueden organizar y mezclar átomos de muchas maneras diferentes, en este sistema se puede fabricar un número prácticamente infinito de materiales, cada uno con propiedades únicas. Esto abre nuevos horizontes en el mundo de los materiales.
En todos los nanomateriales, el confinamiento en capas sutiles no permite que ondas electromagnéticas, luz, electrones o fonones (vibraciones en la red cristalina) se propaguen en dirección normal hacia la superficie. Eso produce efectos interesantes. Los materiales simples simplemente obtienen propiedades diferentes y muy útiles.
"Solo necesitamos aprender a montar mejor dispositivos y materiales artificiales, en el futuro, combinando estas diversas láminas bidimensionales con diversas propiedades", dijo Gogotsi.
El plan inicial de Gogotsi no era fabricar nuevos carburos bidimensionales. "En un momento dado, intentamos fabricar un material para ánodos de baterías de ion de litio", dijo. "Y acabamos creando toda una familia de materiales bidimensionales. Así es como a veces va la investigación."
El proceso comienza con la investigación fundamental y a menudo se encuentra con muchas decepciones, pero puede acabar conduciendo al éxito si uno es persistente. "Trabajamos desde la ciencia básica, desde el descubrimiento científico fundamental hasta la aplicación práctica", dijo Gogotsi. "Y a veces fracasamos. En muchos casos fracasamos porque hacemos algo que nadie ha hecho antes. Se supone que tienes que suspender. Pero a veces sí tenemos éxito, y luego triunfamos por completo."
Entre esos descubrimientos hay nuevos materiales. Los investigadores determinan propiedades de nuevos materiales y aprenden a controlar materiales a nanoescala para lograr el control sobre sus propiedades. Luego determinan cómo esas propiedades y esos materiales pueden ser útiles desarrollando aplicaciones.
Por ejemplo, ha habido varios descubrimientos interesantes de nuevos materiales morfólogos de carbono, como el desarrollo de un método para fabricar carbones derivados de carburos porosos, que se utilizan en supercondensadores de almacenamiento de energía electroquímica, y los científicos han utilizado esos materiales para lograr avances en diversas áreas, incluidos los condensadores químicos eléctricos.
MXenes se estableció por primera vez en un artículo publicado en 2011. Pero Gogotsi dijo que el momento era desafortunado, ya que el grafeno generó la mayor parte del interés científico en ese periodo. Así que los investigadores inicialmente ignoraron MXenes. Pero en cuanto Gogotsi y otros investigadores empezaron a fabricar cada vez más MXenes diferentes, y a mostrar propiedades que superaban las propiedades de muchos como materiales en muchos campos, el interés aumentó drásticamente.
Pero el desarrollo de MXenes y otros materiales bidimensionales requirió un cambio en la filosofía científica.
"Volvamos a la edad de piedra", dijo Gogotsi. "¿Qué hacían los humanos antiguos? Toman un trozo de piedra, un hueso o madera y tallan algo en él, como un cuchillo. Así es como la gente solía fabricar materiales, tomar material disponible y tallar algo."
Luego el mundo pasó a la Edad de Bronce, y después a la Edad de Hierro. Los humanos aprendieron a fundir materiales y a fabricar un trozo de metal. Y de nuevo, talla algo del material. Lo mismo continuó con los polímeros y los plásticos. La gente fabricaba la mayor parte del plástico o polímero y moldeaba algo con ello.
Sin embargo, tienes un número limitado de materiales. Siempre pierdes una cantidad muy grande de material al fabricar componentes. En la nueva era, en lugar de tallar o extraer materiales para crear un componente o un dispositivo, los estamos ensamblando a partir de láminas bidimensionales nanométricas y finas.
"El mundo se está moviendo hacia la era en la que usamos bloques de construcción nanométricos y angstrom finos, materiales bidimensionales y nanotubos unidimensionales como nanohilos, puntos unidimensionales, y podemos empezar a ensamblarlos", dijo.
Realmente nos está llevando a una nueva era en la que podemos construir materiales a partir de bloques de construcción atómicamente delgados, materiales bidimensionales, nanotubos y nanocables unidimensionales, nanodotos de dimensión cero, y los científicos pueden empezar a ensamblarlos de nuevas maneras.
Los materiales bidimensionales son importantes hoy en día, justo cuando el mundo se está moviendo hacia la electrónica portátil, la electrónica imprimible y el internet de las cosas. Cuando quieres hacer cosas portables, flexibles, imprimibles y transparentes, necesitas capas extremadamente finas de materiales. Necesitas materiales que puedas poner en una impresora de inyección de tinta e imprimir o pulverizar como pintura en una pared a partir de una solución para hacer un dispositivo. Esto es exactamente lo que aportan todos estos nanomateriales.
Es realmente tecnología de nueva generación, que ya está encontrando numerosas aplicaciones en tintes conductores, etiquetas totalmente inteligentes y recubrimientos de película fina en pantallas de teléfonos móviles.
Los nanomateriales están irrumpiendo en todos los campos de la actividad humana. Los teléfonos móviles son tan pequeños debido a componentes hechos de nanomateriales. Ocultos en su interior hay nanotubos de carbono, que contienen nanopartículas. Existen varios tipos de dispositivos electrónicos de película fina que contienen nanomateriales.
Tu jersey está hecho de fibras que tienen un componente natural a escala nanométrica y hechas por humanos o por la naturaleza y modificadas por humanos.
MXenes puede llegar más lejos. Por ejemplo, a medida que avanzamos hacia un mundo de comunicación 5G, necesitaremos antenas en todas partes. Convencionalmente, están hechos de lámina de cobre, con un grosor de 10 o 20 micras. Sin embargo, no podemos imprimir lámina de cobre con materiales actuales. Sin embargo, los MXenes pueden mezclarse con agua, fabricarse en tinta y usarse para imprimir antenas. Estas antenas impresas funcionan casi como las de cobre, pero unas 10 veces más delgadas y ligeras.
Como se ha mencionado, los MXenes mantienen su flexibilidad, resistencia y conductividad y ofrecen otros beneficios en aplicaciones de comunicación.
Película MXene de carburo de vanadio y solución coloidal de lascas bidimensionales (Crédito de la imagen: Dra. Kathleen Maleski).
En 2016, diplomáticos estadounidenses y canadienses en Cuba comenzaron a experimentar enfermedades inusuales. Los síntomas incluían mareos, pérdida de equilibrio, pérdida de audición, ansiedad y algo que describieron como "niebla cognitiva". Se le conoció como "Síndrome de La Habana". Un brote similar ocurrió en China antes de 2018. [3]
Las investigaciones del gobierno estadounidense culparon a la radiación dirigida de microondas, o energía de radiofrecuencia pulsada, como la causa de las enfermedades.
Las propiedades de MXene pueden proporcionar protección contra interferencias electromagnéticas para proteger contra ataques similares en el futuro. Debido a su flexibilidad y alta conductividad, los MXenes pueden incorporarse en textiles. [4] De hecho, los MXenes pueden proporcionar un mejor apantallamiento de interferencias electromagnéticas que el metal sólido, dijo Gogotsi.
Desde la comunicación hasta el almacenamiento de energía y la medicina, los MXenes tienen el potencial de cambiar la forma en que vivimos. Se han explorado en todas partes, desde láseres hasta electrodos médicos y electrodos cerebrales; a electrónica y optoelectrónica a sensores; y ventanas transparentes que pueden producir y almacenar energía eléctrica.
Imagina un móvil que se carga en un minuto. O un Tesla que no tenga que estar enchufado durante la noche. Nos esforzamos por tener una batería que almacene mucha energía, pero que pueda cargarse rápidamente. Los MXenes eléctricamente conductores, donde no se necesita difusión en estado sólido, a diferencia de los materiales de baterías actualmente utilizados, pueden ayudarnos a lograrlo.
En aplicaciones biomédicas, por ejemplo, se ha comprobado que los MXenos absorben urea. Gogotsi está trabajando con nefrólogos para desarrollar materiales para la diálisis. En el futuro, los científicos podrían utilizar MXenes para fabricar riñones portátiles para quienes dependen de la diálisis.
"En realidad, es simplemente un nuevo mundo de materiales", dijo Gogotsi. "Y por eso creemos que es verdaderamente revolucionario. No estamos hablando de que un material cambie una aplicación o mejore algo en una sola aplicación. Estamos hablando de una nueva forma de fabricar materiales, ensamblarlos en dispositivos y una forma de hacer cosas que antes no se podían fabricar."
Sin embargo, probablemente pasarán cuatro o cinco años antes de que los primeros productos MXene se comercialicen. Muchas empresas están explorando aplicaciones ahora.
"Antes se tardaban entre 15 y 25 años desde el descubrimiento de un material hasta su introducción en la tecnología", dijo Gogotsi. "Ahora, el ciclo es más corto, pero aún serán unos años y ten en cuenta que se han invertido miles de millones de dólares en el desarrollo del grafeno y sus aplicaciones. Desde el Premio Nobel de grafeno en 2010, ha habido 100 millones de dólares al año de financiación para el proyecto estrella del grafeno en Europa y una enorme cantidad de financiación en otros lugares. Los MXenes realmente están ganando unos céntimos comparados con esto."
Pero la investigación sobre MXenes se está acelerando.
Los nuevos materiales atómicamente delgados no pueden verse a simple vista; se necesitan herramientas para caracterizarlos. Es decir, nadie puede hacer mucho con este material ni beneficiarse de sus características a nanoescala, por el confinamiento y propiedades 2D sin conocer su estructura.
"Las técnicas de espectroscopía óptica son en gran medida los métodos más rápidos y en realidad los menos costosos para caracterizar materiales aquí, especialmentela espectroscopía Raman", dijo Gogotsi. "Se ha convertido en el caballo de batalla en el mundo de la caracterización de materiales bidimensionales."
Por ejemplo, para materiales a granel, la difracción de rayos X solía ser la herramienta principal. Pero si miras los nanomateriales de carbono, por ejemplo, nanotubos y grafeno, los investigadores han recurrido a la espectroscopía Raman, porque se puede tomar un espectro de una sola partícula en un lugar determinado. "Si queremos contar el número de capas en una escama de grafeno o determinar el diámetro del nanotubo de carbono, usamos espectroscopía Raman, no microscopía. Así que, y aquí es exactamente donde la espectroscopía es una herramienta absolutamente habilitadora para los nanomateriales."
"Puedes grabar un espectro en segundos o menos", dijo Gogotsi. "Puedes hacer investigación en un laboratorio, o puedes hacer control de calidad en una línea de producción mediante una sonda de fibra óptica. Aquí es donde la espectroscopía se convirtió realmente en la primera herramienta para la caracterización. Si queremos conocer la calidad de un material, usamos espectroscopía Raman. Si queremos encontrar la degradación de nuestros materiales, usamos espectroscopía. Si queremos ver la composición de las partículas, de nuevo, usamos espectroscopía Raman."
La espectroscopía Raman proporciona una huella útil de la química y la estructura de los nanomateriales. Asia Sarycheva, estudiante de doctorado de Gogotsi, creó una biblioteca de espectros Raman de MXenes. Como resultado, para el control de calidad, puedes mirar el espectro Raman del material y saber si es lo que esperabas. En segundo lugar, puedes mirar el espectro y decir, por ejemplo, que tiene picos más fuertes, esperando ver qué tan buena es la calidad del material o cuántas monocapas hay en las lascas.
"Podemos hacer la caracterización de escamas individuales sobre un sustrato, bajo el microscopio", dijo. "Podemos hacer la caracterización de una película y obtener el valor medio para toda la película o mapear la superficie, pero también podemos sondear con espectroscopía Raman escamas en solución coloidal, porque normalmente empezamos procesando la solución. La herramienta es realmente versátil."
La espectroscopía Raman puede utilizarse para caracterizar los MXenes en todas las etapas de su fabricación y uso (Crédito de la imagen: Asia Sarycheva; Química de los materiales, 32, 3480-3488, 2020)
Un artículo que Gogotsi publicó junto a un colega en 2008 sobre materiales para condensadores electroquímicos se convirtió en el segundo artículo de ciencia de materiales más citado del siglo XXI, dijo, solo por detrás del grafeno. Ahora su nuevo descubrimiento promete igualar o superar ese logro debido al interés mundial hacia MXenes.
A medida que la investigación sobre las propiedades y aplicaciones de MXenes se acelera, nos acercamos a aprovechar el potencial de estos materiales únicos. Aunque puede que no se pueda empezar a realizar este potencial hasta mediados de la década de 2020, la multitud de investigaciones apunta a una revolución en los avances tecnológicos en áreas que van desde la energía hasta la electrónica y la medicina, en primer lugar en tecnología flexible y vestible.
[1] D'Angelo, M., Matsuda, I. Capas bidimensionales monoatómicas, Capítulo 1 - Fundamentos y familias de capas monoatómicas: materiales 2D de capa única, 2019, páginas 3-22.
[2] Grafeno-info, 2020.
[3] 'Síndrome de La Habana' probablemente causado por microondas dirigidas - informe estadounidense. BBC. 6 de diciembre de 2020.
[4] Shahzad, F, Alhabeb, M., Hatter, C, Anasor, B, Hong, S.M., Koo, C.M., Gogotsi, Y. Blindaje por interferencias electromagnéticas con carburos de metales de transición 2D (MXenes). Ciencia. 9 de septiembre de 2016. Vol. 353, Número 6304, pp. 1137-1140.
Tiene alguna pregunta o solicitud? Utilice este formulario para ponerse en contacto con nuestros especialistas.
