Scoperti dai ricercatori della Drexel University come elettrodi per applicazioni energetiche, Gli MXenes sono diventati un centro di ricerca per KAUST. Husam Alshareef e il suo team sono specializzati nella creazione di nanomateriali per applicazioni elettroniche ed energetiche. Li trasformano in dispositivi, come supercondensatori, batterie e sensori. La superficie chimicamente attiva e il nucleo altamente conduttivo di MXenes li rendono un materiale candidato ideale per la ricerca sui materiali all'avanguardia del gruppo.

I MXeni sono tipicamente costituiti da un nucleo di titanio e atomi di carbonio, solo pochi atomi di spessore. Questo materiale metallico (un carburo o un nitruro) ha una conduttività elettrica paragonabile a un filo di rame. La superficie superiore e inferiore del MXene è ricoperta da legami metallo-ossigeno (ad esempio Ti-O) e metallo-idrossile (ad esempio Ti-OH), che sono chimicamente ed elettrochimicamente attivi. "Questa combinazione di proprietà rende MXenes unico, " spiega Alshareef.

"I ricercatori della KAUST hanno dato contributi innovativi alle applicazioni di MXenes in dispositivi e sensori elettronici, "dice Yury Gogotsi, un professore della Drexel University negli Stati Uniti, uno degli scopritori di MXenes. "Li hanno spostati dalla fase materiale alla fase del dispositivo grazie alla loro esperienza con l'elettronica. Questo è molto importante e potrebbe essere un momento decisivo nell'implementazione pratica di MXenes nell'industria".

Iniziando da zero

"Avere il know-how per preparare MXene di buona qualità è la chiave per ottenere prestazioni eccellenti, " dice Alshareef. Per creare i cristalli atomici 2-D MXene, il materiale genitore, nota come fase MAX, viene prima preparato utilizzando la tecnologia di lavorazione della ceramica convenzionale. La M in MAX rappresenta un metallo di transizione, come il titanio; A è tipicamente alluminio; e X è carbonio o azoto. I metodi di elaborazione della soluzione vengono utilizzati per rimuovere selettivamente l'alluminio per creare cristalli bidimensionali. Questi cristalli vengono posti in sospensioni che vengono poi utilizzate per realizzare pellicole, gel, fogli e punti quantici di MXene.

Le sfide nella produzione di MXenes sono che sono necessarie temperature fino a 1700 gradi Celsius per realizzare la fase MAX genitore, e HF è necessario per incidere l'alluminio. "Stiamo sviluppando processi per semplificare i protocolli di sintesi e renderli più rispettosi dell'ambiente ed efficienti dal punto di vista energetico da preparare, " dice Alshareef.

Sviluppo di nuovi dispositivi

Recentemente, Alshareef e il suo gruppo hanno sviluppato soft basati su MXene, polimeri super-elastici chiamati idrogel. "Lo chiamiamo MXene smart skin, " Dice Alshareef. "È estensibile di 3, 400 per cento, autoguarigione, morbido e può percepire praticamente qualsiasi cosa:la forza del tocco, direzione, velocità, voce, pressione, temperatura, umidità." Il team ha dimostrato che un piccolo pezzo di pelle intelligente posizionato sulla fronte potrebbe differenziare più espressioni facciali, mentre un pezzo posto sulla pelle sopra la casella vocale potrebbe differenziare ogni lettera dell'alfabeto semplicemente misurando il movimento della casella vocale.

dispositivi sensore, che può sfruttare l'ampia superficie e la straordinaria conduttività dei MXene, sono un altro promettente percorso di ricerca. Più recentemente, il team ha creato un sensore del sudore indossabile basato su MXene per monitorare i biomarcatori chiave nella traspirazione. Il sensore estensibile può misurare contemporaneamente più parametri, compreso lattato, glucosio, pH e zinco. "Misura e trasmette direttamente al tuo telefono e funziona, " Dice Alshareef. "Il nostro prototipo di sensore del sudore indossabile funziona bene, e i nostri sforzi futuri si concentreranno sulla miniaturizzazione".

Le collaborazioni di Alshareef nel campus KAUST dimostrano l'ampio potenziale di MXenes. Ha lavorato con Omar Mohammed per comprendere le loro proprietà optoelettroniche fondamentali e per fabbricare dispositivi fotonici e plasmonici basati su MXene; Peng Wang, dal Centro per la desalinizzazione e il riutilizzo dell'acqua, sviluppare generatori di energia osmotica; e Xixiang Zhang per esplorare la natura bidimensionale di MXenes per far crescere ferroelettrico bidimensionale, cristalli elettro-ottici e piezoelettrici che ereditano le proprietà dei MXeni.