Il nanomateriale MXene viene utilizzato nella tecnologia delle batterie o come lubrificante ad alte prestazioni. Finora, la sua produzione ha generato rifiuti tossici. I ricercatori della TU Wien hanno trovato nuovi modi per ridurre questi rifiuti.
Si tratta di una delle tendenze più significative nella scienza dei materiali: i materiali costituiti da un solo strato di atomi, i cosiddetti "materiali 2D", presentano spesso proprietà completamente diverse rispetto agli strati più spessi degli stessi atomi. Questa direzione di ricerca è iniziata con il grafene, un materiale vincitore del premio Nobel. Ora la TU Wien, insieme alle aziende CEST e AC2T, sta studiando, tra le altre cose, la classe di materiali MXene (si pronuncia: Maxene), composta principalmente da titanio e carbonio.
Hanno proprietà che sembrano quasi miracolose: possono essere utilizzate per schermare le onde elettromagnetiche, per l'accumulo di energia o per nuovi tipi di sensori. Presso l'Università Tecnica di Vienna si è scoperto che sono sorprendentemente adatti anche come lubrificanti allo stato solido, perfino nelle condizioni più difficili, come quelle che si riscontrano nella tecnologia spaziale. L'unico problema era che la produzione di questi MXeni era considerata estremamente pericolosa e tossica. Ma ora è stato trovato un nuovo metodo: al posto dell'acido tossico si utilizza la corrente elettrica. Il nuovo metodo di sintesi è stato ora pubblicato sulla rinomata rivista “Small”.
"Per produrre MXene, servono innanzitutto le cosiddette fasi MAX. Si tratta di materiali che possono essere costituiti da strati di alluminio, titanio e carbonio, ad esempio", spiega Pierluigi Bilotto del Tribology Research Group presso l'Istituto di Progettazione e Sviluppo di Prodotto della TU Wien. "In precedenza, l'acido fluoridrico veniva utilizzato per incidere l'alluminio, creando un sistema di strati atomicamente sottili che possono muoversi l'uno contro l'altro con pochissima resistenza. Questo rende questi MXeni un ottimo lubrificante."
Ma maneggiare l'acido fluoridrico non è un compito facile. È tossico e nocivo per l'ambiente ed esistono norme severe sulla gestione di questa sostanza chimica. Ciò richiede attrezzature di laboratorio speciali e costose e produce rifiuti che richiedono uno smaltimento complesso. “Questo è il motivo per cui MXene non aveva ancora raggiunto un grande successo nel settore”, afferma Pierluigi Bilotto. “È difficile ricostruire un simile processo su scala industriale; molte aziende, comprensibilmente, evitano questo passaggio.”
Pierluigi Bilotto ha quindi iniziato a cercare un metodo migliore, insieme al Prof. Carsten Gachot e al Prof. Markus Valtiner (TU Vienna), Markus Ostermann del CEST di Wiener Neustadt, Marko Pjlievic dell'AC2T e altri. “L’elettrochimica offre un modo alternativo per rompere i legami dell’alluminio nella fase MAX”, afferma Pierluigi Bilotto. "Quando si applica una tensione elettrica, una corrente elettrica agisce sulla fase MAX, che può indurre reazioni chimiche sulle superfici. Regolando la tensione in modo preciso, possiamo personalizzare le reazioni in modo che vengano rimossi solo gli atomi di alluminio, lasciando MXeni elettrochimici come prodotto finale."
Il team ha scoperto che una tecnica elettrochimica molto speciale può migliorare l'incisione elettrochimica e la qualità complessiva degli MXene: in particolare, impulsi di corrente ben dosati. Mentre spesso si riscontra il problema che la reattività della superficie diminuisce bruscamente dopo poco tempo, brevi impulsi di corrente nei materiali in fase MAX provocano la formazione di piccole bolle di idrogeno, che puliscono e riattivano ripetutamente la superficie. Ciò consente di sostenere più a lungo la reazione elettrochimica e di produrre una grande quantità di MXene.
Il prodotto risultante è stato poi ampiamente analizzato: le sue proprietà sono almeno buone quanto quelle degli MXeni precedentemente prodotti utilizzando l'acido fluoridrico. "Il mio obiettivo è rendere la produzione di MXene estremamente semplice. Dovrebbe essere possibile in ogni cucina", afferma Pierluigi Bilotto. "E siamo molto vicini."
Informazioni sulla nanotecnologia
Nanotecnologia: tante opportunità, rischi sconosciuti – Deutsches Ärzteblatt
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