Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

Los materiales bidimensionales son una familia de sustancias tan delgadas que solo tienen unos pocos átomos de espesor, pero poseen una resistencia y propiedades eléctricas notables que los hacen valiosos para todo, desde computadoras más rápidas hasta baterías más eficientes. Entre estos, un grupo específico llamado MXenos ha capturado la atención de los científicos porque están hechos de capas de metal y carbono o nitrógeno que pueden separarse como las páginas de un libro. Durante más de una década, los investigadores han sabido cómo fabricar estos materiales comenzando con un bloque sólido de un compuesto relacionado y eliminando químicamente un tipo de átomo para dejar las capas atrás. Sin embargo, este método tradicional es lento, a menudo requiere productos químicos peligrosos y solo se ha utilizado para fabricar un número limitado de tipos específicos. La gran pregunta que enfrentaba al campo era si la lista conocida de estos materiales era verdaderamente completa, o si la vasta biblioteca de la historia científica contenía muchos más ejemplos que habían sido hechos hace mucho tiempo pero que simplemente fueron mal identificados o de la misma forma, olvidados.

Un equipo de investigadores ha respondido ahora a esa pregunta combinando herramientas informáticas modernas con química de la vieja escuela para descubrir un reservorio oculto de estos materiales. Comenzaron enseñando a un programa de computadora a reconocer la huella digital atómica específica de los MXenos, luego le pidieron que escaneara enormes bases de datos de estructuras cristalinas que los científicos han registrado durante el último siglo. La computadora encontró docenas de compuestos que encajaban perfectamente con la descripción, pero que nunca habían sido etiquetados como MXenos. Los investigadores llaman a esta colección un "Cofre del Tesoro", que consiste en treinta y ocho materiales diferentes que fueron sintetizados décadas atrás pero que fueron pasados por alto porque fueron clasificados bajo nombres distintos. Este descubrimiento sugiere que el espacio químico para estos materiales es mucho más grande de lo que se pensaba anteriormente, conteniendo muchas variaciones que incluyen metales de tierras raras y diferentes tipos de átomos en su núcleo, no solo las combinaciones estándar de carbono y nitrógeno.

Para demostrar que estos materiales olvidados eran reales y podían fabricarse de nuevo, el equipo recurrió a una técnica de fabricación rápida y sostenible llamada síntesis de alta temperatura autopropagada. En lugar de usar hornos lentos y que consumen mucha energía o líquidos peligrosos, mezclaron polvos metálicos crudos con otros ingredientes e iniciaron la mezcla con un breve estallido de electricidad. Una vez iniciada, la reacción creó su propio calor intenso y se propagó a través del material como una onda, completando todo el proceso en solo unos minutos sin necesidad de ninguna fuente de energía externa. Usando este método, el equipo recreó con éxito cinco de los materiales de su lista del "Cofre del Tesoro", confirmando que podían producirse de manera rápida y limpia. También utilizaron los conocimientos obtenidos de este proceso para crear once tipos de MXenos completamente nuevos que nunca antes habían sido fabricados, todos basados en elementos de tierras raras como el praseodimio y el neodimio.

Los resultados de estos experimentos revelaron que estos materiales recién accesibles tienen propiedades físicas únicas que difieren significativamente de las versiones estándar. Los investigadores encontraron que los nuevos MXenos basados en tierras raras actúan como semiconductores, lo que significa que pueden controlar el flujo de electricidad de maneras que son útiles para los dispositivos electrónicos. Además, debido a que estos materiales contienen metales de tierras raras, exhiben diversos comportamientos magnéticos, con algunos actuando como imanes y otros mostrando diferentes tipos de ordenamiento magnético. El equipo verificó estas propiedades examinando los materiales bajo microscopios potentes y midiendo cómo interactúan con la luz y el sonido. Las imágenes microscópicas mostraron que las capas permanecían distintas y bien ordenadas, con los átomos dispuestos exactamente como los modelos computacionales habían predicho.

Este trabajo hace más que solo añadir nuevos nombres a una lista de materiales; demuestra una nueva forma poderosa de acelerar el descubrimiento científico. Al usar el aprendizaje automático para filtrar registros históricos, los investigadores demostraron que las respuestas a los problemas modernos podrían ya existir en datos antiguos, esperando ser reconocidas con las herramientas adecuadas. También demostraron que estos materiales pueden fabricarse utilizando un método rápido y escalable que evita los peligros ambientales del procesamiento químico tradicional. Aunque el estudio se centró en identificar y fabricar estos compuestos específicos, el enfoque en sí mismo ofrece una hoja de ruta para encontrar otros materiales ocultos en los vastos archivos del conocimiento humano. Los hallazgos sugieren que la familia de materiales bidimensionales es mucho más extensa y versátil de lo imaginado anteriormente, abriendo la puerta a una gama más amplia de aplicaciones en el almacenamiento de energía, la electrónica y más allá.