Nanotecnologia

Material canibaliza a si mesmo para formar novas estruturas

Material canibaliza a si mesmo para formar novas estruturas
Depois que um MXeno monocamada é aquecido, os grupos funcionais são removidos de ambas as superfícies. Os átomos de titânio e carbono migram, deixando um poro e formando novas estruturas.[Imagem: Xiahan Sang/Andy Sproles/ORNL]

Relação ecológica

Por essa ninguém esperava: um material canibaliza a ele próprio, consumindo partes que ele utiliza para se estruturar em uma nova forma estável.

Essa curiosa "relação ecológica" ocorre no reino dos materiais no que se convencionou chamar de nível 2D, ou seja, quando os materiais são formados por uma única camada atômica.

"Em nossas condições experimentais, átomos de titânio e de carbono podem formar espontaneamente uma camada atomicamente fina de carboneto de metal de transição 2D, que nunca havia sido observada antes," disse Xiahan Sang, do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

Sang acredita que o experimento abre novas perspectivas para projetar materiais mais eficientes para baterias que se recarregam rapidamente e para novos materiais eletrônicos.

Crescimento canibalístico

O material de partida é uma cerâmica atomicamente fina chamada MXeno. Ao contrário da maioria das cerâmicas, os MXenos são bons condutores elétricos porque são feitos de camadas atômicas alternadas de carbono ou nitrogênio imprensadas dentro de metais de transição, como o titânio.

O experimento começa com flocos retirados de um cristal pai, apelidado de "MAX", que contém um metal de transição, denotado por "M"; um elemento como alumínio ou silício, denotado por "A"; e um átomo de carbono ou nitrogênio, denotado por "X". Os pesquisadores usaram uma solução ácida para remover as camadas monoatômicas de alumínio, esfoliar o material e delaminá-lo em monocamadas individuais de um carbeto de titânio MXeno (Ti3C2).

Material canibaliza a si mesmo para formar novas estruturas
Exemplos de estruturas formadas por "canibalismo abiótico". [Imagem: Xiahan Sang et al. - 10.1038/s41467-018-04610-0]

Sob vácuo, o cristal foi submetido ao calor e irradiado com um feixe de elétrons, para limpar a superfície do MXeno e expor completamente a camada de átomos de titânio. Os MXenos são tipicamente inertes porque suas superfícies são cobertas com grupos funcionais de proteção - oxigênio, hidrogênio e átomos de flúor que permanecem após a esfoliação ácida. Depois que os grupos de proteção são removidos, o material restante é ativado devido à criação de defeitos equivalentes à ausência de átomos de titânio, removidos durante o tratamento. São essas lacunas que se tornam o ponto de partida para o processo canibalístico.

"Uma vez que esses grupos funcionais tenham desaparecido, agora você fica com uma camada de titânio (e por baixo alternando carbono, titânio, carbono, titânio) que está livre para se reconstruir e formar novas estruturas no topo das estruturas existentes," disse Sang.

Em outras palavras, os átomos movem-se de uma parte para outra do material para criar novas estruturas. Como o material se alimenta de si mesmo, a equipe afirma que o mecanismo de crescimento é canibalístico - Ti3C2 se transformou em Ti4C3, por exemplo.

Teoria para novos trabalhos práticos

"O mecanismo de crescimento é completamente suportado pela teoria da densidade funcional e por simulações de dinâmica molecular reativa, abrindo assim possibilidades futuras de usar estas ferramentas teóricas para determinar os parâmetros experimentais requeridos para sintetizar estruturas específicas de defeitos," disse Adri van Duin, membro da equipe.

Como já estão disponíveis MXenos contendo molibdênio, nióbio, vanádio, tântalo, háfnio, cromo e outros metais, será possível produzir uma variedade de novas estruturas contendo três, quatro ou mais átomos metálicos na seção transversal do material monocamada.

Bibliografia:

In situ atomistic insight into the growth mechanisms of single layer 2D transition metal carbides
Xiahan Sang, Yu Xie, Dundar E. Yilmaz, Roghayyeh Lotfi, Mohamed Alhabeb, Alireza Ostadhossein, Babak Anasori, Weiwei Sun, Xufan Li, Kai Xiao, Paul R. C. Kent, Adri C. T. van Duin, Yury Gogotsi, Raymond R. Unocic
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 2266
DOI: 10.1038/s41467-018-04610-0




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