Nuovo metodo di sintesi non tossico per il "materiale miracoloso" MXene
Niente più acido fluoridrico tossico
Il nanomateriale MXene viene utilizzato per la tecnologia delle batterie o come lubrificante ad alte prestazioni. Finora la sua produzione era difficile e tossica. Alla TU Wien sono stati sviluppati nuovi metodi.
Si tratta di una delle tendenze più significative della scienza dei materiali: i materiali costituiti da un solo strato di atomi, i cosiddetti "materiali 2D", spesso mostrano proprietà completamente diverse rispetto a strati più spessi costituiti dagli stessi atomi. Questo campo di ricerca è iniziato con il grafene, materiale vincitore del premio Nobel. Ora la TU Wien (Vienna), insieme alle aziende CEST e AC2T, sta conducendo ricerche sulla classe di materiali MXenes (pronunciati Maxenes), composti principalmente da titanio e carbonio.
Questi MXeni hanno proprietà che sembrano quasi miracolose: possono essere utilizzati per la schermatura elettromagnetica, per l'accumulo di energia o per nuovi sensori. Alla TU Wien si è scoperto che sono incredibilmente adatti anche come lubrificanti solidi, anche nelle condizioni più difficili, ad esempio nella tecnologia spaziale. Finora l'unico problema era che la produzione di questi MXeni era considerata estremamente pericolosa e tossica. Ma ora è stato sviluppato un nuovo metodo: invece di un acido tossico, si usa l'elettricità. Il nuovo metodo di sintesi è stato pubblicato sulla rivista "Small".
Niente più acido fluoridrico tossico
"Per produrre gli MXeni, sono necessarie le cosiddette fasi MAX. Si tratta di materiali che possono essere costituiti, ad esempio, da strati di alluminio, titanio e carbonio", spiega Pierluigi Bilotto dell'unità di ricerca di Tribologia presso l'Istituto di progettazione ingegneristica e sviluppo prodotti della TU Wien. "Finora si usava l'acido fluoridrico per eliminare l'alluminio nel MAX, ottenendo così un sistema di strati atomicamente sottili che possono scorrere l'uno contro l'altro con una resistenza minima. Ciò rende questi MXeni un ottimo lubrificante".
Ma maneggiare l'acido fluoridrico non è un compito facile. È tossico e dannoso per l'ambiente, e ci sono regolamenti severi su come maneggiare questa sostanza chimica. Sono necessarie attrezzature di laboratorio speciali e costose e si ottengono prodotti di scarto che devono essere smaltiti in modo costoso. "Questo è il motivo per cui gli MXeni non hanno ancora fatto un grande passo avanti nell'industria", afferma Pierluigi Bilotto. "È difficile costruire un processo di questo tipo su scala industriale e molte aziende comprensibilmente evitano di fare questo passo".
Pierluigi Bilotto si è quindi messo alla ricerca di un metodo migliore, insieme ai professori Carsten Gachot e Markus Valtiner della TU Wien, al dottor Markus Ostermann del CEST di Wiener Neustadt, a Marko Pjlievic dell'AC2T e ad altri.
Elettrochimica
"L'elettrochimica offre una via alternativa per rompere i legami dell'alluminio nella fase MAX", spiega Pierluigi Bilotto. "Quando viene applicata una tensione elettrica, la fase MAX subisce una corrente elettrica che dà inizio a reazioni sulle sue interfacce. Selezionando con precisione la tensione, siamo in grado di sintonizzare le reazioni in modo da rimuovere solo gli atomi di alluminio, lasciando come prodotto MXeni elettrochimici (EC-MXeni)".
Il team ha scoperto che una tecnica elettrochimica molto specifica può essere utilizzata per migliorare l'incisione elettrochimica e la qualità complessiva dell'EC-MXene: impulsi di corrente ben dosati. Mentre con altri metodi la reattività della superficie spesso si riduce rapidamente, brevi impulsi di corrente provocano la formazione di piccole bolle di idrogeno sui materiali in fase MAX, pulendo e riattivando la superficie. Ciò consente di sostenere la reazione elettrochimica per periodi di tempo più lunghi e di produrre una grande quantità di EC-MXene.
Il prodotto ottenuto è stato poi analizzato con tecniche avanzate come la microscopia a forza atomica, la microscopia elettronica a scansione e a trasmissione, la spettroscopia Raman e a raggi X di fotoelettroni e lo scattering di ioni a bassa energia. Le sue proprietà sono almeno pari a quelle degli MXeni prodotti in precedenza con l'acido fluoridrico. "Il mio obiettivo è rendere la sintesi dell'MXene estremamente semplice. Dovrebbe essere possibile in qualsiasi cucina", afferma Pierluigi Bilotto. "E ci siamo molto vicini".
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