Utilizzando metodi non convenzionali, Christina Birkel ei suoi colleghi del Dipartimento di Chimica della TU Darmstadt producono ceramiche metalliche e nuovi materiali per l'approvvigionamento energetico del futuro.

Il forno a microonde nel laboratorio di Christina Birkel, capogruppo di ricerca junior presso la TU Darmstadt, non è solo più grande e significativamente più costoso del solito apparecchio domestico, ma anche più potente e a prova di fuoco ed esplosione. Birkel ha rimosso il giradischi e il supporto in plastica. "Si sarebbe sciolto comunque, " dice. Il chimico usa il forno per la sintesi di sostanze che gli esperti chiamano fasi MAX. M sta per metallo di transizione, ad esempio per titanio o vanadio, A per un elemento del gruppo principale - solitamente alluminio - e X per carbonio, e più raramente anche azoto. Finora, si conoscono circa 70 membri di questa famiglia.

"Intorno al volgere del millennio, gli sforzi di ricerca nel campo delle fasi MAX sono aumentati in modo significativo, " spiega Birkel. Non c'è da stupirsi, perché i materiali sono antigraffio, stabile alle alte temperature e in molti casi resistente all'ossidazione come una ceramica, ma conducono anche elettricità e talvolta hanno proprietà magnetiche straordinarie. Per questo vengono anche chiamate ceramiche metalliche. Analogamente ai minerali argillosi, Le fasi MAX hanno una struttura lamellare di strati alternati A e M-X-M.

Sintesi in un forno a microonde

Mentre i ricercatori di tutto il mondo, soprattutto negli Stati Uniti, indagare le proprietà e le potenziali applicazioni delle fasi MAX, Birkel è coinvolto nella loro sintesi. Ha ottimizzato un metodo particolarmente semplice utilizzando il riscaldamento a microonde:le polveri di metallo e grafite vengono pressate in un pellet denso che viene successivamente sigillato in un'ampolla di quarzo evacuata. Questo viene poi circondato da grafite granulare e posto nel forno a microonde. La grafite assorbe particolarmente bene l'energia delle radiazioni a microonde e assicura che il pellet si riscaldi a oltre 1300 gradi, a temperature così elevate, Modulo fasi MAX.

Ma questa non è la fine della strada per Birkel. Perché i MXene, ottenuto dalle fasi MAX per la prima volta nel 2011, avere un futuro ancora più promettente di quest'ultimo. Il nome indica la chimica in questo caso:MXene è una fase MAX senza gli strati A. Questi sono stati rimossi con acido fluoridrico. Sebbene la procedura richieda la massima cautela - l'acido fluoridrico è altamente corrosivo - svolge perfettamente il suo scopo, come mostrato dal microscopio elettronico:"La struttura a strati delle fasi MAX si allarga e poi sembra un libro a ventaglio". I singoli strati si separano parzialmente.

Il termine MXene con la desinenza "ene" indica una certa somiglianza con il grafene, il materiale miracoloso costituito da strati di carbonio puro. Per quanto riguarda il MXene, vengono discusse anche una varietà di applicazioni, dai materiali per batterie alla purificazione dell'acqua. Recentemente, Birkel e i suoi colleghi hanno prodotto un nuovo MXene. È costituito da strati di carbonio vanadio ed è adatto come catalizzatore per la reazione di evoluzione dell'idrogeno nell'elettrolisi dell'acqua, come dimostrato dal gruppo di Ulrike Kramm, professore assistente alla TU Darmstadt. L'elettrolisi dell'acqua sta diventando sempre più importante perché consente di immagazzinare l'energia solare o eolica eccessivamente generata sotto forma di idrogeno.

gruppi ossidrilici (ossigeno e idrogeno), atomi di ossigeno e fluoro, che si legano alla superficie degli strati durante il trattamento con acido fluoridrico, giocano un ruolo importante nell'attività catalitica del MXene. I ricercatori del gruppo Birkel stanno attualmente studiando i meccanismi esatti con l'obiettivo di ottimizzare le proprietà del MXene. Per esempio, molecole organiche potrebbero essere accoppiate agli strati tramite i gruppi ossidrile. "Così, secondo il principio Lego, sono immaginabili numerosi nuovi MXene, " spiega Birkel. Finora, sono noti solo circa 20 MXene. Il futuro professore di chimica non avrebbe potuto identificare un'area di ricerca più espandibile.