Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

Materiais bidimensionais são uma família de substâncias tão finas que possuem apenas alguns átomos de espessura, mas que detêm propriedades de resistência e propriedades elétricas notáveis que as tornam valiosas para tudo, desde computadores mais rápidos até baterias mais eficientes. Entre estes, um grupo específico chamado MXenes capturou a atenção de cientistas porque são feitos de camadas de metal e carbono ou nitrogênio que podem ser descascadas como as páginas de um livro. Por mais de uma década, pesquisadores souberam como fabricar esses materiais começando com um bloco sólido de um composto relacionado e corroendo quimicamente um tipo de átomo para deixar as camadas para trás. No entanto, este método tradicional é lento, muitas vezes exige produtos químicos perigosos e só tem sido usado para fabricar um número limitado de tipos específicos. A grande questão que enfrenta o campo era se a lista conhecida desses materiais era verdadeiramente completa, ou se a vasta biblioteca da história científica continha muitos outros exemplos que haviam sido feitos há muito tempo, mas que foram simplesmente mal identificados ou esquecidos.

Uma equipe de pesquisadores respondeu agora a essa questão combinando ferramentas de computação modernas com química à moda antiga para descobrir um reservatório oculto desses materiais. Eles começaram ensinando um programa de computador a reconhecer a impressão digital atômica específica dos MXenes, depois pediram que ele escaneasse através de enormes bancos de dados de estruturas cristalinas que cientistas registraram ao longo do último século. O computador encontrou dezenas de compostos que se encaixavam perfeitamente na descrição, mas que nunca haviam sido rotulados como MXenes. Os pesquisadores chamam esta coleção de "Baú do Tesouro", consistindo em trinta e oito materiais diferentes que foram sintetizados décadas atrás, mas negligenciados por terem sido classificados sob nomes diferentes. Esta descoberta sugere que o espaço químico para esses materiais é muito maior do que se pensava anteriormente, contendo muitas variações que incluem metais de terras raras e diferentes tipos de átomos em seu núcleo, não apenas as combinações padrão de carbono e nitrogênio.

Para provar que esses materiais esquecidos eram reais e poderiam ser feitos novamente, a equipe recorreu a uma técnica de fabricação rápida e sustentável chamada síntese de alta temperatura autopropagante. Em vez de usar fornos lentos e que consomem muita energia ou líquidos perigosos, eles misturaram pós metálicos brutos com outros ingredientes e inflamaram a mistura com um breve surto de eletricidade. Uma vez iniciada, a reação criava seu próprio calor intenso e se espalhava pelo material como uma onda, completando todo o processo em apenas alguns minutos sem a necessidade de qualquer fonte externa de energia. Usando este método, a equipe recriou com sucesso cinco dos materiais de sua lista do "Baú do Tesouro", confirmando que eles poderiam ser produzidos de forma rápida e limpa. Eles também usaram os conhecimentos obtidos através deste processo para criar onze tipos inteiramente novos de MXenes que nunca haviam sido feitos antes, todos baseados em elementos de terras raras como o praseodímio e o neodímio.

Os resultados desses experimentos revelaram que esses novos materiais acessíveis possuem propriedades físicas únicas que diferem significamente das versões padrão. Os pesquisadores descobriram que os novos MXenes baseados em terras raras atuam como semicondutores, o que significa que podem controlar o fluxo de eletricidade de maneiras que são úteis para dispositivos eletrônicos. Além disso, como esses materiais contêm metais de terras raras, eles exibem diversos comportamentos magnéticos, com alguns atuando como ímãs e outros mostrando diferentes tipos de ordenamento magnético. A equipe verificou essas propriedades examinando os materiais sob microscópios poderosos e medindo como eles interagem com a luz e o som. As imagens microscópicas mostraram que as camadas permaneceram distintas e bem ordenadas, com os átomos arranjados exatamente como os modelos de computador haviam previsto.

Este trabalho faz mais do que apenas adicionar novos nomes a uma lista de materiais; ele demonstra uma nova maneira poderosa de acelerar a descoberta científica. Ao usar o aprendizado de máquina para vasculhar registros históricos, os pesquisadores mostraram que as respostas para problemas modernos podem já existir em dados antigos, esperando para serem reconhecidas com as ferramentas certas. Eles também provaram que esses materiais podem ser feitos usando um método rápido e escalável que evita os perigos ambientais do processamento químico tradicional. Embora o estudo tenha focado em identificar e fabricar esses compostos específicos, a abordagem em si oferece um roteiro para encontrar outros materiais ocultos nos vastos arquivos do conhecimento humano. As descobertas sugerem que a família dos materiais bidimensionais é muito mais extensa e versátil do que imaginado anteriormente, abrindo as portas para uma gama mais ampla de aplicações em armazenamento de energia, eletrônicos e além.