Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

I materiali bidimensionali sono una famiglia di sostanze così sottili da essere spesse solo pochi atomi, eppure possiedono una forza e proprietà elettriche straordinarie che le rendono preziose per tutto, dai computer più veloci alle batterie più efficienti. Tra questi, un gruppo specifico chiamato MXene ha catturato l'attenzione degli scienziati perché è composto da strati di metallo e carbonio o azoto che possono essere separati come le pagine di un libro. Per oltre un decennio, i ricercatori hanno saputo come realizzare questi materiali partendo da un blocco solido di un composto correlato e consumando chimicamente un tipo di atomo per lasciare indietro gli strati. Tuttavia, questo metodo tradizionale è lento, spesso richiede sostanze chimiche pericolose e può essere utilizzato solo per produrre un numero limitato di tipi specifici. La grande domanda che la disciplina si poneva era se l'elenco noto di questi materiali fosse davvero completo, o se la vasta biblioteca della storia scientifica contenesse molti altri esempi che erano stati realizzati molto tempo fa, ma semplicemente erroneamente identificati o dimenticati.

Un team di ricercatori ha ora risposto a tale domanda combinando strumenti informatici moderni con la chimica tradizionale per scoprire un serbatoio nascosto di questi materiali. Hanno iniziato insegnando a un programma informatico come riconoscere l'impronta digitale atomica specifica degli MXene, poi hanno chiesto al computer di scansionare enormi database di strutture cristalline che gli scienziati avevano registrato nell'ultimo secolo. Il computer ha trovato decine di composti che corrispondevano perfettamente alla descrizione, ma che non erano mai stati etichettati come MXene. I ricercatori chiamano questa collezione un "Tesoro", composto da trentotto materiali diversi che erano stati sintetizzati decenni fa ma trascurati perché classificati sotto nomi differenti. Questa scoperta suggerisce che lo spazio chimico per questi materiali è molto più ampio di quanto precedentemente pensato, contenendo molte variazioni che includono terre rare e diversi tipi di atomi nel loro nucleo, non solo le combinazioni standard di carbonio e azoto.

Per dimostrare che questi materiali dimenticati fossero reali e potessero essere prodotti nuovamente, il team si è rivolto a una tecnica di produzione rapida e sostenibile chiamata sintesi ad alta temperatura autopropagante. Invece di utilizzare forni lenti e ad alto consumo energetico o liquidi pericolosi, hanno mescolato polveri metalliche grezze con altri ingredienti e hanno innescato la miscela con un breve impulso elettrico. Una volta avviata, la reazione ha generato il proprio calore intenso e si è propagata attraverso il materiale come un'onda, completando l'intero processo in pochi minuti senza richiedere alcuna fonte di energia esterna. Utilizzando questo metodo, il team è riuscito a ricreare cinque dei materiali della loro lista del "Tesoro", confermando che potevano essere prodotti rapidamente e in modo pulito. Hanno anche utilizzato le intuizioni derivate da questo processo per creare undici tipi interamente nuovi di MXene che non erano mai stati realizzati prima, tutti basati su elementi di terre rare come il praseodimio e il neodimio.

I risultati di questi esperimenti hanno rivelato che questi nuovi materiali accessibili possiedono proprietà fisiche uniche che differiscono significamente dalle versioni standard. I ricercatori hanno scoperto che i nuovi MXene a base di terre rare agiscono come semiconduttori, il che significa che possono controllare il flusso di elettricità in modi utili per i dispositivi elettronici. Inoltre, poiché questi materiali contengono metalli delle terre rare, esibiscono comportamenti magnetici diversi, con alcuni che agiscono come magneti e altri che mostrano diversi tipi di ordine magnetico. Il team ha verificato queste proprietà esaminando i materiali sotto potenti microscopi e misurando come interagiscono con la luce e il suono. Le immagini microscopiche hanno mostrato che gli strati rimanevano distinti e ben ordinati, con gli atomi disposti esattamente come previsto dai modelli informatici.

Questo lavoro fa molto di più che aggiungere nuovi nomi a una lista di materiali; dimostra un nuovo modo potente per accelerare la scoperta scientifica. Utilizzando l'apprendimento automatico per setacciare i record storici, i ricercatori hanno dimostrato che le risposte ai problemi moderni potrebbero già esistere nei dati vecchi, in attesa di essere riconosciute con gli strumenti giusti. Hanno anche dimostrato che questi materiali possono essere prodotti utilizzando un metodo veloce e scalabile che evita i pericoli ambientali della lavorazione chimica tradizionale. Sebbene lo studio si sia concentrato sull'identificazione e la creazione di questi composti specifici, l'approccio stesso offre una tabella di marcia per trovare altri materiali nascosti nei vasti archivi della conoscenza umana. I risultati suggeriscono che la famiglia dei materiali bidimensionali è molto più estesa e versatile di quanto precedentemente immaginato, aprendo la porta a una gamma più ampia di applicazioni nell'accumulo di energia, l'elettronica e oltre.