Como nuevo material sintético, MAX combina las excelentes propiedades de los materiales metálicos y cerámicos y tiene buenas perspectivas de aplicación en campos como arcos ferroeléctricos de alta velocidad, cubiertas aislantes de alta temperatura y revestimientos resistentes al desgaste. Sin embargo, la preparación de dichos materiales siempre ha sido un desafío.
Huang Qing, investigador del Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China, dirigió un equipo para proponer un nuevo método que puede crear muchos materiales nuevos de fase MAX y MXene que no se pueden sintetizar a través de vías convencionales, similar al "Cubo Twisting de Rubik". ". Esto no sólo amplía la gama de aplicaciones de dichos materiales, sino que también aporta una imaginación infinita a la síntesis de materiales. El 17 de marzo, hora de Beijing, los resultados de la investigación se publicaron oficialmente en la revista Science.
La tabla periódica resume los tipos de elementos que componen la fase MAX y MXene. El azul claro representa el elemento del sitio M, el marrón terroso representa el elemento del sitio A, el negro representa el elemento del sitio X, el verde representa el elemento del grupo terminal y los elementos encerrados en un círculo son los elementos que se han verificado experimentalmente en el artículo. Fuente: Instituto de Materiales de Ningbo, Academia de Ciencias de China
Materiales sintéticos especiales
¿Qué tipo de reacción química ocurrirá cuando los metales y la cerámica "se combinen fuertemente"?
Como material sintético artificial especial, los materiales de fase MAX siempre han sido uno de los puntos de investigación en el campo de los materiales. Huang Qing introdujo que M representa elementos metálicos anteriores a la transición; A representa los elementos principales del grupo IIIA e IVA; X representa carbono, nitrógeno o boro. M. Los tres tipos de elementos en A y X se pueden organizar y combinar de manera diferente para formar varios materiales de la fase MAX.
Gracias a la estructura cristalina única de nanocapas, este tipo de material puede conducir electricidad y calor como el metal, es suave y fácil de procesar y tiene una alta tenacidad; Al igual que la cerámica, tiene características como resistencia a la oxidación, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión por radiación. Esto ha mostrado grandes perspectivas de aplicación en campos como pantógrafos de ferrocarriles de alta velocidad, elementos calefactores de alta temperatura, álabes de turbinas, cubiertas aislantes de alta temperatura y revestimientos resistentes al desgaste.
Si se elimina el elemento A, el material de la fase MAX se derivará a un nuevo tipo de material MXene. Se entiende que la disposición atómica del MXene es similar a la del grafeno y tiene un gran potencial de aplicación en campos como dispositivos optoelectrónicos, almacenamiento de energía electroquímica, blindaje electromagnético, catálisis superficial y membranas de separación.
Sin embargo, en los tres tipos de materias primas M, A y X, algunos elementos no son compatibles. Permitirles convivir pacíficamente y preparar materiales de alta calidad con funciones específicas es un desafío.
Diagrama esquemático de la estrategia de edición de estructuras para carburos de metales de transición en capas con la ayuda de "tijeras químicas" Fuente: Instituto de Materiales de Ningbo, Academia de Ciencias de China
Torciendo el cubo de Rubik para preparar nuevos materiales
La composición y estructura de los elementos químicos determinan las propiedades de los materiales.
Para satisfacer las necesidades de aplicación de diferentes campos, los científicos esperan regular con precisión la microestructura de la fase MAX y los materiales MXene, y preparar nuevos materiales con funciones específicas.
Ya en 2019, el equipo de Huang Qing propuso una tecnología de preparación ecológica y sintetizó con éxito materiales de fase MAX de zinc por primera vez. El trabajo anterior en realidad utilizaba unas 'tijeras químicas' oxidantes para grabar elementos entre capas, es decir, para reducir los elementos que necesitamos regular", dijo Huang Qing.
¿Se pueden volver a ensamblar los elementos después de haber sido grabados? Para verificar esta hipótesis, el equipo de Huang Qing realizó múltiples experimentos. Finalmente, descubrieron que el metal, una "tijera química" reductora, puede volver a ensamblar materiales MXene bidimensionales en materiales tridimensionales de fase MAX.
Huang Qing explicó que los materiales de la fase MAX son como bloques de construcción, compuestos por tres tipos de elementos: M, A y X, que se empalman secuencialmente de izquierda a derecha. En el pasado, para cortar el elemento intermedio A, los científicos necesitaban romper tres bloques de construcción, lo que equivale a aplastar toda la estructura química, para "extraer" el elemento intermedio A.
Y su nueva estrategia propuesta es similar al "Twisting Rubik's Cube", que tuerce ligeramente la capa intermedia del Cubo de Rubik de tres capas sin dañar la estructura original, y el elemento A se quita. Al girar el bloque del Cubo de Rubik que representa el nuevo elemento a su posición original, el material de la fase MAX logra una "sustitución isomórfica".
Huang Qing guía a los estudiantes de posgrado. Fuente: Instituto de Materiales de Ningbo, Academia de Ciencias de China
Aportando una imaginación infinita a la investigación de materiales
La continua transformación y combinación de "cubos mágicos" químicos ha aportado una imaginación infinita a la investigación de materiales.
Con la ayuda del método de edición estructural asistida por "tijeras químicas", el equipo de Huang Qing ha preparado una serie de nuevos materiales de fase MAX que no pueden sintetizarse mediante métodos convencionales.
Entre ellos, se espera que la introducción de elementos de sitio A no tradicionales, como elementos magnéticos y metales preciosos, los expanda desde campos estructurales de alta temperatura a aplicaciones funcionales, como magnetismo, optoelectrónica, catálisis, superconductividad, etc.
Utilizando este método, el equipo de Huang Qing también obtuvo una serie de nuevos materiales MXene, que se espera que promuevan una mayor aplicación de MXene en catálisis, almacenamiento de energía, blindaje electromagnético y otros campos.
"Esto abre una nueva vía para la síntesis de materiales, lo que supone un éxito direccional". Chai Zhifang, académico del miembro de la CAS y científico jefe del Laboratorio de Ingeniería de Materiales Energéticos Avanzados del Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China, explicó que este método es como hacer sándwiches según el "gusto" de cada uno. A dos piezas de pan se les pueden añadir diferentes ingredientes, como pollo, filetes de pescado, lechuga, etc., para que cada uno tome lo que necesite.
Muchos materiales importantes que han recibido mucha atención se pueden sintetizar utilizando este método, y creo que recibirá cada vez más atención y aplicaciones en el futuro ", dijo Huang Qing.
