Instituto de Nanotecnologia AJ Drexel

O AJ Drexel Nanotechnology Institute (DNI) foi criado em janeiro de 2003 para coordenar pesquisa interdisciplinar, educação e divulgação, e parcerias estratégicas em nanotecnologia para toda a Universidade Drexel.

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Projetos

MXenes

MXenes são uma família de compostos inorgânicos bidimensionais (2D) com a fórmula geral de M_n+1X_nT_x, onde M é um metal de transição inicial, X é carbono e/ou nitrogênio e T é um grupo funcional na superfície de um MXene (normalmente O, OH e F) (M. Naguib, et al. Av. Matéria., 2014, 26, 992). Os MXenes têm a alta condutividade metálica dos carbonetos de metais de transição e são (ao contrário de outros materiais 2D como o grafeno) hidrofílicos devido às suas superfícies terminadas em hidroxila e oxigênio. Os MXenes foram descobertos pela primeira vez em 2011 na Universidade Drexel, como resultado da gravação seletiva da camada A de carbonetos e nitretos de metais de transição ternários, conhecidos como fases MAX, que produzem MXenes multicamadas. Para aumentar a área de superfície e a acessibilidade de sua superfície, os MXenes multicamadas normalmente passam por processamento adicional para produzir soluções de MXenes delaminados.

Devido à sua hidrofilicidade, os MXenes podem ser processados em solventes orgânicos aquosos e polares para formar soluções coloidais estáveis que podem ser filtradas para formar filmes independentes e revestidas por spray para formar revestimentos condutores transparentes. Isto proporciona um maior número de aplicações potenciais para esta família de materiais. O primeiro MXene descoberto foi Ti₃C₂ e foi inicialmente investigado por suas propriedades eletroquímicas em baterias e supercapacitores (B. Anasori, et al. Materiais de avaliações da natureza, 2017, 2, 16098). Nos últimos anos, entretanto, mais de duas dúzias de MXenes foram descobertos junto com dezenas de outras aplicações.

O rim artificial vestível (WAK) é considerado um candidato potencial que oferece melhor qualidade de vida aos pacientes com doença renal em estágio terminal. A tecnologia chave, também um grande desafio, é o sistema adsorvente para regeneração do dialisado. As nanofolhas MXene 2D são feitas de duas a quatro camadas atômicas de um metal de transição intercaladas com carbono ou nitrogênio com terminações superficiais ligadas às camadas metálicas externas. A combinação de um núcleo de metal duro de transição com terminações de superfície torna o MXenes materiais condutores semelhantes a argila. Isto sugere que a estrutura do MXene poderia ser potencialmente ajustada para adsorver moléculas específicas, otimizando a distância interatômica e interlaminar do material. Além disso, como as superfícies MXene terminam com −OH, −O− e −F, sua afinidade com os adsorbatos poderia ser ainda melhorada pela formação de ligações de hidrogênio na superfície. Portanto, estamos dedicados ao desenvolvimento de um sistema adsorvente baseado em MXene para remover toxinas urêmicas do dialisado e até mesmo do sangue diretamente. Como primeiro passo, demonstramos que a ureia, uma das toxinas urêmicas mais importantes, pode ser removida rápida e seletivamente pelo MXene da solução aquosa e do dialisado gasto. Além do mais, ensaios de hemocompatibilidade de doadores saudáveis mostraram que MXene Ti3C2Tx não tem impacto significativo na coagulação sanguínea, hemólise e ativação plaquetária, indicando que os MXenes são seguros para uso em aplicações de contato com o sangue. 

Controle de luz por MXenes 

Você já pensou do que é feito um espelho bidirecional ou um revestimento anti-reflexo? Como podemos controlar a luz para funcionar da maneira que desejamos? Além da simples transmissão de luz, foi demonstrado que os MXenes exibem propriedades de absorção saturáveis no infravermelho próximo (IR próximo), o que significa que a absorção de luz diminui (a transmissão de luz aumenta) com o aumento da intensidade da luz. Esta propriedade foi usada para criar um diodo fotônico com fulerenos (C₆₀), que funcionava transmitindo luz de maneira diferente quando vista nas direções direta e reversa. Propriedades de absorção saturáveis podem ser aplicadas em aplicações como lasers e ajustadas quando aproveitamos nanoestruturas semelhantes a discos/pilares em frequências próximas do IR ou terahertz.

Condutores Transparentes

E se cada janela captasse energia solar, fosse capaz de controlar a temperatura ambiente ajustando a cor da janela e fizesse tudo isso sem sacrificar a visibilidade? Nos regimes visível e infravermelho próximo, os MXenes transmitem ondas EM e a quantidade de transmissão depende diretamente da composição do MXene e da espessura do material presente. Isso permite que os MXenes sejam usados como condutores transparentes em aplicações de armazenamento e exibição de energia. Além disso, a cor e a transparência do dispositivo mudam reversivelmente com o potencial aplicado, permitindo que dispositivos eletrocrômicos (e talvez janelas!) sejam fabricados com cores diferentes. 

As baterias de íons de lítio já são uma tecnologia dominante na indústria eletrônica portátil e flexível. No entanto, o custo e as reservas democráticas dos recursos de Li levantam preocupações para a futura electrificação e armazenamento de energia em grande escala. Ir “além da tecnologia de íons de lítio” precisa de eletrodos robustos para (des) intercalação reversível de íons metálicos. Como os MXenes oferecem intercalação espontânea de uma variedade de cátions (Na+, K+, Mg+2, Zn+2, Ca+2 e Al+3), eles podem ser alternativas potenciais aos materiais convencionais de carbono e óxido metálico para o projeto de híbridos. capacitores metálicos e baterias multivalentes.

Podemos reduzir a escala dos dispositivos de armazenamento de energia para alimentar a microeletrônica?

A tendência atual da emergente Internet das Coisas (IOT) e da miniaturização da eletrônica exige o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia em pequena escala. A fabricação escalonável de dispositivos MXene On-chip pode oferecer integração compatível com microrobótica, sensores e implantes biomédicos. Além disso, o comportamento de condução transparente e as propriedades de mudança de cor tornam o MXenes adequado para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia transparentes e eletrocrômicos. Além disso, os MXenes podem ser usados para aplicações flexíveis e vestíveis, onde os compósitos MXene podem combinar as funções de armazenamento de energia, coleta e capacidade de detecção.

Entrevista: 

P: Explique o papel da nanotecnologia no desenvolvimento da sua organização ou departamento.

Embora muita coisa tenha mudado desde a fundação da Universidade Drexel em 1891, a missão original da universidade ainda soa verdadeira hoje, e a introdução e o uso de novas tecnologias estão na vanguarda das iniciativas da Universidade Drexel. Como tal, a nanotecnologia fornece uma plataforma para estudantes e professores explorarem novas pesquisas interdisciplinares, manterem uma base de conhecimento de ponta no desenvolvimento curricular e mais oportunidades para colaboração regional e internacional.  

P: Como a nanotecnologia impactou os produtos ou serviços que você fornece?

A ascensão da nanotecnologia possibilitou novos projetos de pesquisa colaborativa e em equipe e revigorou nosso currículo de Engenharia. A nanotecnologia tornou-se integrada a muitas de nossas atividades de pesquisa, currículo e interesses do corpo docente.    

P: Descreva resumidamente um projeto atual envolvendo nanotecnologia e qual será o resultado previsto (novo processo, novo produto, etc.)

No Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, o Prof. Adam Fontecchio e seu aluno de pós-graduação Jared Coyle estão desenvolvendo uma tinta fotovoltaica composta por gotículas nanométricas de cristal líquido dispersas em um polímero. Esta 'Pintura Solar' tem o potencial de revolucionar a forma como forneceremos energia às nossas casas e veículos no futuro. Atualmente, estamos explorando métodos para incorporar o material fotovoltaico em tintas comerciais e residenciais, telhas e revestimentos transparentes para janelas de residências e veículos. Quando aplicados, os produtos transformarão superfícies que hoje são estéticas em componentes ativos que melhoram a vida de todos nós.    

P: Onde você vê as aplicações da nanotecnologia liderando no futuro? 

As oportunidades para a nanotecnologia são infinitas, abrangendo disciplinas tradicionais, atividades interdisciplinares e projetos que envolvem combinações únicas de competências ainda não imaginadas. Nos próximos 20 anos, devemos esperar ver inovações em energias renováveis, água limpa, tecnologias informáticas e biomedicina, para citar apenas alguns.      

P: Que conselho você daria a alguém que quisesse trabalhar na sua organização dentro de 3 a 5 anos?  

Qualquer pessoa interessada em nanotecnologia faria bem em fazer cursos de matemática, física e química. Além disso, a participação em atividades de pesquisa relacionadas à nanotecnologia pode proporcionar uma boa base para trabalhos de pós-graduação na área. Eu também sugeriria aos alunos que acompanhassem as tendências atuais em tecnologia – há muitas fontes de informação que são acessíveis a todos, independentemente da formação ou formação técnica, e algumas das minhas favoritas para recomendar incluem Com fio revista, A New York Times seção de tecnologia e Sexta-feira de Ciências na National Public Radio (disponível em podcast e também ao vivo na rádio).

P: Qual indústria você acha que foi mais impactada pela nanotecnologia até agora? Por que?

Neste ponto, o maior impacto foi no campo biomédico. Novos produtos farmacêuticos para combater o cancro, os vírus e muitas outras doenças resultaram da investigação em nanotecnologia. Além disso, métodos de nanocaracterização como Microscopia de Varredura por Sonda, Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia e Difração de Raios X estão fornecendo pistas sobre os processos fundamentais dos sistemas biológicos. Estamos actualmente a registar avanços na análise do ADN e na sequenciação do Genoma Humano, que oferecerão novas possibilidades na medicina individualizada.

P: Qual indústria você acha que tem o maior potencial futuro para ser impactada pela nanotecnologia? Por que?  

O crescimento da nanotecnologia biomédica continuará a crescer e impactar todas as nossas vidas. Ao mesmo tempo, a geração e o armazenamento de energia alternativa estão a assistir a avanços na investigação e desenvolvimento básicos que crescerão e terão impacto em todo o mundo. As actuais dificuldades económicas mundiais, aliadas às reservas petrolíferas finitas, obrigam-nos a considerar novas ideias e técnicas para fornecer energia eléctrica através da energia fotovoltaica; sistemas de eliminação de energia baseados em gradientes térmicos, energia vibracional e descarga térmica residual. Estas descobertas serão impulsionadas pela necessidade global e o impacto da nanotecnologia nas energias alternativas será tão grande como o que vemos actualmente no campo biomédico.

(Fonte de conteúdo: site da Universidade Drexel, comunicados à imprensa e entrevista.)