31 de octubre de 2023 (Proyector Nanowerk) Materiales bidimensionales como grafeno y MXeno han generado gran entusiasmo en los últimos años debido a sus propiedades excepcionales, que son prometedoras para aplicaciones como baterías, pilas de combustible y sensores. Sin embargo, un desafío importante ha sido ensamblar estas láminas atómicamente delgadas a nanoescala en estructuras tridimensionales funcionales. Las láminas tienen una fuerte tendencia a reapilarse formando películas densas cuando se ensamblan en 3D, lo que limita gravemente su rendimiento. Este reapilamiento se produce debido a fuertes fuerzas de van der Waals entre las láminas 3D. Reduce la superficie accesible y bloquea los sitios reactivos, comprometiendo propiedades como la conductividad eléctrica y el transporte de iones. Superar el reapilamiento para crear redes 2D porosas ha sido un obstáculo persistente para el progreso. Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han sido pioneros en un sistema de material híbrido completamente nuevo. Su novedoso enfoque permite ensamblar nanohojas 3D en redes 2D interconectadas por primera vez. Esto supera un desafío persistente que ha limitado gravemente las aplicaciones de materiales 3D. El equipo informa sus hallazgos en Materiales avanzados (“Ensamblaje 3D de Redes MXene utilizando un Backbone Cerámico con Porosidad Controlada”).
Fabricación de sílice porosa eléctricamente conductora mediante infiltración de nanohojas 2D MXene. a) Preparación de discos de sílice con porosidad unidireccional mediante liofilización. Las flechas azules representan la dirección de solidificación y la orientación principal de los poros. Las imágenes SEM muestran las secciones transversales horizontales (superiores) y verticales (inferiores) de las muestras porosas fabricadas (barra de escala = 100 µm). b) Una muestra de sílice porosa infiltrada con MXene con una figura 3D ampliada que muestra el recubrimiento de capa delgada de las superficies internas de los poros con escamas de MXene mientras se preserva la porosidad estructural. Una imagen SEM retrodispersada de gran aumento de una muestra infiltrada muestra el recubrimiento de capa fina de MXene (barra de escala = 10 µm). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El método innovador de los investigadores implica la creación de una columna vertebral de cerámica porosa mediante fundición por congelación. Esta columna vertebral actúa como un andamio para organizar las hojas MXene en configuraciones 3D y al mismo tiempo evitar el reapilamiento. El equipo se infiltra en la estructura porosa con una dispersión de nanohojas MXene, creando así una red 3D interconectada dentro de la columna vertebral cerámica. A medida que la dispersión se seca, las fuerzas capilares atraen las láminas de MXene hacia las superficies de los poros internos de la columna vertebral cerámica, lo que hace que las láminas recubran los poros en una capa delgada. Esta configuración distribuye las hojas MXene sobre una gran superficie mientras las mantiene separadas. Este nuevo sistema de materiales podría permitir avances significativos en almacenamiento de energía, electrónica, catálisis y más al superar finalmente la principal barrera del ensamblaje de nanomateriales 2D en arquitecturas 3D funcionales. Los investigadores ya demostraron un rendimiento sustancialmente mejorado para supercondensador almacenamiento de energía utilizando su novedoso enfoque. Utilizando este método, los investigadores pudieron producir muestras con recubrimientos MXene en hasta el 99% de la superficie de poro disponible. Demostraron una conductividad eléctrica más de 300 veces mayor que los valores típicos de cerámicas porosas como la sílice. Fundamentalmente, el equipo demostró que pueden controlar la arquitectura de la red 3D MXene ajustando parámetros como el tamaño de los poros de la columna vertebral, la concentración de MXene y el número de ciclos de infiltración. Esta capacidad de adaptar la nanoestructura permite optimizar el rendimiento para diferentes aplicaciones. Para resaltar usos potenciales, los investigadores construyeron supercondensadores simétricos utilizando sus electrodos de sílice porosa infiltrados con MXene. Lograron una notable capacitancia de área superior a 7 F/cm.2 a pesar de una carga mínima de masa de MXene de sólo 2.4 mg/cm2. Los supercondensadores también entregaron una alta densidad de energía de área de 0.3 mWh/cm2, comparándose favorablemente con los valores publicados en la literatura para otros dispositivos basados en MXene. Estos resultados sugieren una eficiencia de utilización de MXene sustancialmente mejorada con la configuración 3D en comparación con los electrodos planos convencionales. De cara al futuro, el novedoso método de fabricación del equipo podría generar cambios transformadores en la electrónica, la energía y la catálisis al superar el cuello de botella que supone ensamblar materiales 2D en 3D. Sus hallazgos sobre supercondensadores ya apuntan a posibles avances en el almacenamiento integrado de energía. En aplicaciones energéticas, la combinación de una gran superficie y canales interconectados en 3D podría aumentar considerablemente las velocidades de reacción de las pilas de combustible, las baterías de flujo y los sistemas catalíticos. En el caso de la electrónica, controlar hábilmente la arquitectura 3D y la conectividad de las nanohojas 2D puede abrir nuevas posibilidades en informática y detección. Un aspecto intrigante es que el enfoque probablemente pueda extenderse a otros materiales 2D como el grafeno, así como a otros materiales de andamiaje porosos. Si bien el estudio utilizó MXene y sílice, el concepto podría tener una amplia aplicabilidad. Al proporcionar una solución al problema del reapilamiento, la investigación representa un paso importante hacia el pleno aprovechamiento de la promesa de Materiales 2D. La evidencia ya muestra que la transición de configuraciones 2D a configuraciones 3D controladas aumenta significativamente el rendimiento. De cara al futuro, esta estrategia para ensamblar nanohojas 2D en redes 3D funcionales podría sentar las bases para avances en gran parte de la ciencia y la tecnología. Muchas aplicaciones futuras dependerán de estructurar adecuadamente la materia a nanoescala en las tres dimensiones. Este nuevo método ofrece una ruta de fabricación versátil pero sencilla para diseñar nanoarquitecturas 3D adaptadas a las necesidades de la aplicación. Si el enfoque está a la altura de su potencial, podría acelerar el desarrollo de tecnologías innovadoras en energía, electrónica, filtración, detección y terapéuticas.
By
Michael
Berger
Fabricación de sílice porosa eléctricamente conductora mediante infiltración de nanohojas 2D MXene. a) Preparación de discos de sílice con porosidad unidireccional mediante liofilización. Las flechas azules representan la dirección de solidificación y la orientación principal de los poros. Las imágenes SEM muestran las secciones transversales horizontales (superiores) y verticales (inferiores) de las muestras porosas fabricadas (barra de escala = 100 µm). b) Una muestra de sílice porosa infiltrada con MXene con una figura 3D ampliada que muestra el recubrimiento de capa delgada de las superficies internas de los poros con escamas de MXene mientras se preserva la porosidad estructural. Una imagen SEM retrodispersada de gran aumento de una muestra infiltrada muestra el recubrimiento de capa fina de MXene (barra de escala = 10 µm). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El método innovador de los investigadores implica la creación de una columna vertebral de cerámica porosa mediante fundición por congelación. Esta columna vertebral actúa como un andamio para organizar las hojas MXene en configuraciones 3D y al mismo tiempo evitar el reapilamiento. El equipo se infiltra en la estructura porosa con una dispersión de nanohojas MXene, creando así una red 3D interconectada dentro de la columna vertebral cerámica. A medida que la dispersión se seca, las fuerzas capilares atraen las láminas de MXene hacia las superficies de los poros internos de la columna vertebral cerámica, lo que hace que las láminas recubran los poros en una capa delgada. Esta configuración distribuye las hojas MXene sobre una gran superficie mientras las mantiene separadas. Este nuevo sistema de materiales podría permitir avances significativos en almacenamiento de energía, electrónica, catálisis y más al superar finalmente la principal barrera del ensamblaje de nanomateriales 2D en arquitecturas 3D funcionales. Los investigadores ya demostraron un rendimiento sustancialmente mejorado para supercondensador almacenamiento de energía utilizando su novedoso enfoque. Utilizando este método, los investigadores pudieron producir muestras con recubrimientos MXene en hasta el 99% de la superficie de poro disponible. Demostraron una conductividad eléctrica más de 300 veces mayor que los valores típicos de cerámicas porosas como la sílice. Fundamentalmente, el equipo demostró que pueden controlar la arquitectura de la red 3D MXene ajustando parámetros como el tamaño de los poros de la columna vertebral, la concentración de MXene y el número de ciclos de infiltración. Esta capacidad de adaptar la nanoestructura permite optimizar el rendimiento para diferentes aplicaciones. Para resaltar usos potenciales, los investigadores construyeron supercondensadores simétricos utilizando sus electrodos de sílice porosa infiltrados con MXene. Lograron una notable capacitancia de área superior a 7 F/cm.2 a pesar de una carga mínima de masa de MXene de sólo 2.4 mg/cm2. Los supercondensadores también entregaron una alta densidad de energía de área de 0.3 mWh/cm2, comparándose favorablemente con los valores publicados en la literatura para otros dispositivos basados en MXene. Estos resultados sugieren una eficiencia de utilización de MXene sustancialmente mejorada con la configuración 3D en comparación con los electrodos planos convencionales. De cara al futuro, el novedoso método de fabricación del equipo podría generar cambios transformadores en la electrónica, la energía y la catálisis al superar el cuello de botella que supone ensamblar materiales 2D en 3D. Sus hallazgos sobre supercondensadores ya apuntan a posibles avances en el almacenamiento integrado de energía. En aplicaciones energéticas, la combinación de una gran superficie y canales interconectados en 3D podría aumentar considerablemente las velocidades de reacción de las pilas de combustible, las baterías de flujo y los sistemas catalíticos. En el caso de la electrónica, controlar hábilmente la arquitectura 3D y la conectividad de las nanohojas 2D puede abrir nuevas posibilidades en informática y detección. Un aspecto intrigante es que el enfoque probablemente pueda extenderse a otros materiales 2D como el grafeno, así como a otros materiales de andamiaje porosos. Si bien el estudio utilizó MXene y sílice, el concepto podría tener una amplia aplicabilidad. Al proporcionar una solución al problema del reapilamiento, la investigación representa un paso importante hacia el pleno aprovechamiento de la promesa de Materiales 2D. La evidencia ya muestra que la transición de configuraciones 2D a configuraciones 3D controladas aumenta significativamente el rendimiento. De cara al futuro, esta estrategia para ensamblar nanohojas 2D en redes 3D funcionales podría sentar las bases para avances en gran parte de la ciencia y la tecnología. Muchas aplicaciones futuras dependerán de estructurar adecuadamente la materia a nanoescala en las tres dimensiones. Este nuevo método ofrece una ruta de fabricación versátil pero sencilla para diseñar nanoarquitecturas 3D adaptadas a las necesidades de la aplicación. Si el enfoque está a la altura de su potencial, podría acelerar el desarrollo de tecnologías innovadoras en energía, electrónica, filtración, detección y terapéuticas.
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Michael
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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