Questa immagine SEM mostra una membrana lamellare preparata in MXene prima dell'esposizione ad acqua/luce/calore. Credito:KAUST 2020
Un materiale a strati sviluppato dai ricercatori KAUST può agire come un preciso sensore di temperatura sfruttando lo stesso principio utilizzato nei canali ionici biologici.
Le cellule umane possiedono varie proteine che fungono da canali per gli ioni carichi. Nella pelle, alcuni canali ionici si basano sul calore per guidare un flusso di ioni che genera segnali elettrici, che usiamo per rilevare la temperatura dell'ambiente circostante.
Ispirato da questi sensori biologici, I ricercatori KAUST hanno preparato un composto di carburo di titanio (Ti 3 C 2 T X ) noto come MXene, che contiene più strati dello spessore di pochi atomi. Ogni strato è ricoperto da atomi carichi negativamente, come ossigeno o fluoro. "Questi gruppi fungono da distanziatori per tenere separati i nanofogli vicini, permettendo alle molecole d'acqua di entrare nei canali interplanari, "dice il postdoc della KAUST Seunghyun Hong, parte del team dietro il nuovo sensore di temperatura. I canali tra gli strati MXene sono più stretti di un singolo nanometro.
I ricercatori hanno utilizzato tecniche, come la diffrazione dei raggi X e la microscopia elettronica a scansione, per indagare sul loro MXene, e hanno scoperto che l'aggiunta di acqua al materiale allargava leggermente i canali tra gli strati. Quando il materiale ha toccato una soluzione di cloruro di potassio, questi canali erano abbastanza grandi da consentire agli ioni potassio positivi di muoversi attraverso il MXene, ma ha bloccato il passaggio degli ioni cloruro negativi.
Una differenza di temperatura tra due estremità di un nanocanale MXene fa sì che l'acqua e gli ioni potassio fluiscano dal lato freddo al lato caldo (in alto). Quando la luce solare riscalda solo una parte di un dispositivo MXene, un flusso termo-osmotico genera una tensione che può indicare minime variazioni di temperatura (in basso). Credito:ACS Nano; Alshareef, HN et al.
Il team ha creato un piccolo dispositivo contenente MXene e ne ha esposto un'estremità alla luce solare. I MXene sono particolarmente efficienti nell'assorbire la luce solare e nel convertire quell'energia in calore. L'aumento di temperatura risultante ha spinto le molecole d'acqua e gli ioni potassio a fluire attraverso i nanocanali dall'estremità più fredda alla parte più calda, un effetto noto come flusso termo-osmotico. Ciò ha causato una variazione di tensione paragonabile a quella osservata nei canali ionici sensibili alla temperatura biologica. Di conseguenza, il dispositivo potrebbe rilevare in modo affidabile variazioni di temperatura inferiori a un grado Celsius.
La diminuzione della salinità della soluzione di cloruro di potassio ha migliorato le prestazioni del dispositivo, in parte migliorando ulteriormente la selettività del canale per gli ioni potassio.
Poiché i ricercatori hanno aumentato l'intensità della luce che colpisce il materiale, la sua temperatura salì allo stesso ritmo, così come la risposta di trasporto ionico. Ciò suggerisce che, oltre a fungere da sensore di temperatura, il materiale potrebbe essere utilizzato anche per misurare l'intensità della luce.
Il lavoro è stato il risultato della collaborazione tra i gruppi dei professori KAUST Husam Alshareef e Peng Wang. "Prevediamo che i canali cationici MXene siano promettenti per molte potenziali applicazioni, compreso il rilevamento della temperatura, fotorilevamento o raccolta di energia fototermoelettrica, "dice Alshareef, che ha co-guidato la squadra.
