MXeni

Elementi della tavola periodica nei MXeni contenenti un singolo metallo di transizione. Aggiornato al 2025.

I MXeni (pronuncia "maxeni") sono un gruppo di composti inorganici con struttura bidimensionale, formati da nanofogli impilati di carburi, nitruri e carbonitruri dei metalli di transizione. La formula generica di questi materiali è Mn+1XnTx, dove

Sono noti più di 100 MXeni di diversa composizione. I più semplici contengono un solo metallo M, come ad esempio V2C, Mo2CTx e Ti3C2Tx. Esistono inoltre MXeni più complessi contenenti due metalli di transizione, come Mo2TiC2, Mo2Ti2C3 e Mo4VC4Tx.

Il primo MXene, Ti3C2Tx, fu ottenuto nel 2011 e da allora questi composti sono stati tra i materiali bidimensionali più studiati. I MXeni combinano infatti le proprietà meccaniche dei carburi dei metalli di transizione con le capacità idrofiliche ottenibili funzionalizzando la superficie degli strati. I MXeni possiedono interessanti proprietà optoelettroniche, meccaniche e termoelettriche. Hanno anche attratto interesse in ambito biomedico e ambientale. La possibilità di funzionalizzare la superficie dei MXeni li rende ideali per biosensori, rilascio di farmaci e terapia fototermica. Le loro proprietà si prestano inoltre ad usi nella fotocatalisi delle acque reflue per rimuovere dall'acqua inquinanti e contaminanti.

Storia

Immagine ottenuta tramite microscopio elettronico a scansione dello MXene ottenuto da Ti3AlC2 rimuovendo gli atomi di alluminio

Il primo composto di questo tipo fu Ti3C2Tx, ottenuto nel 2011 da Yuri Gogotsi, Michel W. Barsoum e collaboratori rimuovendo selettivamente gli strati di alluminio dalla fase MAX Ti3AlC2. Il nome MXene fu attribuito considerando che nella sintesi era stato rimosso l'atomo A dalla corrispondente fase MAX, e che la struttura a strati ottenuta ricordava quella del grafene.

Struttura e proprietà

Gli MXeni sono ottenuti rimuovendo selettivamente gli atomi "A" dalla corrispondente fase MAX

I MXeni sono ottenuti dalla corrispondente fase MAX rimuovendo gli atomi A, e le strutture di base dei due composti sono strettamente correlate. La sintesi rimuove selettivamente solo gli atomi A, e così nei MXeni rimangono unicamente gli strati di atomi M e X, arrangiati in ottaedri con spigoli condivisi, esattamente come nella fase MAX da cui derivano (vedi figura). Questa struttura di base a strati può essere modificata da gruppi funzionali superficiali esterni, o da cationi intercalati tra gli strati, a seconda dello specifico processo di sintesi. Usando un microscopio elettronico a scansione (SEM) si può osservare la tipica morfologia multistrato dei MXeni, simile a una fisarmonica (vedi figura). I vari strati impilati sono collegati solo da deboli forze di van der Waals. Per questo motivo è facile delaminare il materiale, cioè separare i vari strati e ottenere anche nanofogli isolati, dispersi a formare soluzioni di tipo colloidale. La capacità dei MXeni di essere facilmente delaminati è particolarmente importante a fini applicativi.

Proprietà elettroniche - I MXeni mostrano un comportamento che può variare da metallico a semiconduttore a seconda della specifica composizione. In assenza di funzionalizzazioni superficiali i MXeni tendono ad avere proprietà metalliche simili al grafene. Di contro, la funzionalizzazione superficiale con ossigeno modifica la struttura elettronica trasformandoli in semiconduttori. I MXeni nitruri mostrano proprietà metalliche più marcate dei corrispondenti carburi; ciò è attribuito al fatto che l'atomo di azoto ha un elettrone in più del carbonio.

Proprietà ottiche - Le proprietà ottiche dei MXeni come assorbimento ed emissione possono essere facilmente modulate in un ampio intervallo spettrale cambiando il metallo di transizione e i gruppi funzionali usati. Anche il metodo di fabbricazione, lo spessore ottenuto per delaminazione e il solvente impiegato influenzano le proprietà ottiche. In generale i MXeni hanno uno spettro di assorbimento molto intenso dall'ultravioletto al vicino infrarosso, e contemporaneamente come film sottili hanno una elevata trasmittanza, rendendoli interessanti per dispositivi come elettrodi trasparenti e sensori. In vari casi si sono inoltre osservate caratteristiche di assorbimento non lineare, con possibili applicazioni nel campo dei laser. Punti quantici sintetizzati con MXeni hanno mostrato fotoluminescenza con lunghezze d'onda dipendenti dalla lunghezza d'onda di eccitazione.

Proprietà chimiche - Gli strati costituenti i MXeni sono collegati solo da forze di van der Waals e possono essere facilmente delaminati, ottenendo fogli costituiti da pochi o al limite singoli strati indipendenti di materiale. Si ottengono così soluzioni di tipo colloidale, la cui stabilità dipende dalla natura degli elementi M e X, nonché dal metodo di fabbricazione e dalla funzionalizzazione superficiale. I gruppi funzionali più utilizzati sono –F, –Cl e –OH, che conferiscono una maggior stabilità e rendono fortemente idrofilici i MXeni. Tuttavia, i MXeni tendono lentamente a degradarsi ossidandosi in presenza di acqua e ossigeno; il processo può essere rallentato abbassando la temperatura, aggiungendo antiossidanti o usando atmosfere inerti o solventi non acquosi.

Sintesi

Il metodo più pratico ed efficiente per preparare MXeni è tramite tecniche top-down, cioè processi nei quali una struttura più grande viene suddivisa in parti più piccole. Nel caso di carburi il metodo principale è tramite etching (attacco chimico) della corrispondente fase MAX con soluzioni contenenti ioni fluoruro. Si può usare direttamente acido fluoridrico oppure altre fonti di fluoruro come miscele di acido cloridrico e sali tipo LiF, NaF o NH4HF2. Ad esempio trattando Ti3AlC2 con HF acquoso a temperatura ambiente si rimuovono selettivamente gli atomi di alluminio, mentre sugli strati di carburo di titanio vanno a legarsi gruppi superficiali come F e OH, producendo il MXene Ti3C2Tx. Sono stati impiegati anche ambienti di attacco meno pericolosi e più rispettosi dell'ambiente usando basi forti come NaOH e KOH che rimuovono l'alluminio tramite lo ione OH–.

MXeni nitruri sono più difficili da ottenere, perché l'alluminio nella fase MAX corrispondente è legato più tenacemente. La rimozione dell'alluminio si può effettuare con miscele eutettiche di sali fusi KF, LiF e NaF a 550ºC. Ad esempio da Ti4AlN3 è stato ottenuto il MXene Ti4N3Tx.

Sono state esplorate anche altre tecniche di sintesi, come l'etching elettrochimico e la deposizione chimica da vapore, ma le rese sono risultate inferiori a quelle del classico attacco con HF.

Applicazioni

Pur essendo noti solo da pochi anni, i MXeni sono considerati materiali molto promettenti per svariate applicazioni, data la combinazione di proprietà che li contraddistinguono: conducibilità elettrica elevata, idrofilicità e facile lavorabilità in film e rivestimenti, tuning della funzionalizzazione superficiale, proprietà ottiche modulabili. Tuttavia prodotti basati sui MXeni non hanno ancora (2026) trovato applicazioni su larga scala. L'ostacolo principale che ne impedisce l'utilizzo commerciale è la suscettibilità all'ossidazione sia in soluzione fresche che in film. Alcuni dei campi di ricerca applicata più sviluppati sono:

Note

Bibliografia

  Portale Chimica
  Portale Fisica