Cientistas chineses sintetizam pela primeira vez novo material bidimensional: MXene de lantanídeos

De acordo com pt.wedoany.com-O Laboratório de Materiais para Energia Nuclear Avançada do Instituto de Tecnologia de Materiais e Engenharia de Ningbo, da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com equipes da Universidade de Zhejiang e do Laboratório Yongjiang, utilizou uma estratégia de edição de subcamadas com "tesouras químicas" para "incorporar" elementos lantanídeos na rede cristalina do MXene, sintetizando pela primeira vez um novo material bidimensional que combina propriedades semicondutoras e ferromagnéticas — o material MXene de lantanídeos.

MXene é uma classe de materiais bidimensionais de carbonetos, nitretos ou carbonitretos de metais de transição, com amplas perspectivas de aplicação em armazenamento de energia, proteção eletromagnética, catálise e sensoriamento, devido à sua excelente condutividade elétrica e propriedades químicas de superfície ajustáveis. No entanto, esses "astros" também têm limitações: são quase todos condutores metálicos, carecendo tanto da estrutura de bandas característica dos semicondutores quanto da ordenação magnética. Isso restringe a expansão do material em áreas como dispositivos eletrônicos e spintrônica.

A equipe de pesquisa descobriu que os monohaletos de lantanídeos possuem uma estrutura em camadas especial, semelhante à subcamada do MXene após a remoção das camadas de carbono. Com base na estratégia de edição de subcamadas com "tesouras químicas" proposta anteriormente, eles desenvolveram uma nova rota de síntese — utilizando as diferenças nas propriedades químicas das subcamadas em compostos lamelares para remover, substituir ou reconstruir camadas atômicas específicas, como se estivessem remontando blocos de Lego em escala atômica de acordo com um projeto.

A equipe projetou duas reações suaves em etapas. Na primeira etapa, os metais lantanídeos reagem com cloreto de cobre para produzir in situ o intermediário monohaleto desejado. Na segunda etapa, o intermediário reage com pó de grafite em alta temperatura, "dançando" juntos. Nesse momento, os elétrons localizados entre as camadas do intermediário "doam-se" ativamente, reduzindo os átomos de carbono do grafite a ânions de carbono tetravalentes (C^4-). Após a perda de elétrons, a força de ligação entre as camadas, originalmente mantida por elétrons, enfraquece, e os ânions de carbono carregados negativamente inserem-se entre duas camadas de metal, ocupando precisamente os sítios octaédricos vazios, formando finalmente uma nova estrutura cristalina MXene com sequência de empilhamento T-Ln-C-Ln-T.

Os resultados dos testes mostram que o novo material desbloqueia simultaneamente duas propriedades principais: semicondutora e ferromagnética. Esse tipo de material bidimensional é um alvo de longa data da spintrônica, com enorme potencial em dispositivos lógicos de baixo consumo, comunicações de alta frequência, sensores magnéticos e até mesmo na computação quântica. A estratégia de síntese é universal e, no futuro, poderá ser estendida a outros metais de transição, abrindo uma nova porta para enriquecer a família de materiais bidimensionais.