Los científicos han roto las reglas del orden atómico y han creado MXenes completamente diferentes a todo lo visto hasta ahora. Nueve metales ahora comparten una sola lámina de un átomo de grosor, sus capas antes ordenadas disueltas en un mosaico de posibilidades. El resultado podría redefinir cómo diseñamos materiales para los lugares más extremos de la Tierra y más allá.
El orden tradicional se desmorona
La historia ha demostrado que la ciencia de materiales ha valorado durante mucho tiempo la simetría y estabilidad, celebrando cristales cuyos átomos se bloquean en su lugar como azulejos repetidos en un suelo infinito. Es este tipo de orden lo que da lugar a la fuerza, conductividad y control en laboratorio y entornos del mundo real. Pero en una familia peculiar de carburos, el guión de la simetría y estabilidad cambió. Aquí, lo que debería haber sido caos resultó ser fuerza, como si el desorden y el orden fueran dos caras del mismo diseño.
Esa paradoja surgió del trabajo liderado por investigadores de las Universidades de Purdue y Drexel, quienes se propusieron ver qué sucedería si empujaban a una familia bien conocida de carburos en capas más allá de sus límites. La idea era tanto directa como audaz: tomar una estructura apreciada por su orden y forzarla a albergar diferentes capas de metales simultáneamente para ver hasta dónde llegaría antes de colapsar en un desorden inútil.
MAX phases: el andamiaje de abajo
Para entender lo que hizo posible este experimento, hay que retroceder medio siglo hasta la década de 1970, cuando los científicos descubrieron un curioso conjunto de cerámicas en capas que llamaron fases MAX. Su fórmula – escrita como Mₙ₊₁AXₙ – ocultaba una idea simple: láminas de metales de transición unidos a carbono o nitrógeno, apilados con capas intermedias de elementos «A» como aluminio o silicio.
Lo que hacía inusuales a estos materiales era su capacidad de combinar cualidades raramente encontradas juntas. Tenían la dureza de las cerámicas, capaces de resistir el calor y el desgaste, pero también conducían electricidad como los metales. Esa combinación les valió atención, y su arquitectura resultó especialmente interesante.
De MAX a MXene
Durante décadas, estas fases MAX fueron estudiadas por su durabilidad y conductividad. Pero su verdadera importancia emergió en 2011, cuando los investigadores se dieron cuenta de que las fases MAX eran más que simplemente cerámicas en capas. Al grabar cuidadosamente sus capas A, podían pelar la estructura en láminas ultrafinas de solo unos pocos átomos de grosor. Estas láminas se conocieron como MXenes.
El avance: la entropía toma el control
Para todos sus promesas, los MXenes todavía estaban limitados por sus orígenes MAX. La mayoría estaban hechos de fases ordenadas con solo unos pocos metales, y ese mismo orden, una vez su fuerza, se convirtió en su limitación. Para empujar esas posibilidades hasta su límite, el equipo de Purdue-Drexel se propuso forzar las fases MAX hasta su punto de ruptura.
Sintetizaron 40 composiciones diferentes, superponiendo desde dos hasta nueve metales de transición en la misma estructura. Cada nuevo metal introdujo preferencias competidoras.
«Imaginen hacer hamburguesas con queso con dos a nueve ingredientes (capas)», dijo Babak Anasori de la Universidad de Purdue. «Sin embargo, si añadimos uno o más ingredientes… entonces los metales no siguen ninguna preferencia por el orden, y se logra verdadero desorden (alta entropía)».
Con hasta cerca de seis metales, el sistema se comportó como se esperaba: la entalpía, el tirón energético hacia el orden, mantuvo la estructura sesgada. Pero una vez que el conteo subió a siete o más, algo cambió. Las preferencias energéticas se disolvieron, y cada configuración se volvió igualmente probable. La entropía – el doppelganger desordenado de la entalpía – intervino y tomó el control.
Lo que debería haberse colapsado se convirtió en cambio en estabilidad. Grabar estas fases MAX de alta entropía en MXenes borró la división ordenada entre orden y desorden, dejando un mosaico de posibilidades extendido a través de una lámina de un átomo de grosor.
Propiedades de los MXenes forjados por entropía
A pesar de ese desorden, los MXenes retuvieron su carácter metálico padre. De hecho, su resistividad eléctrica cayó dramáticamente a medida que aumentó el número de metales, en algunos casos casi por un orden de magnitud. La emisividad infrarroja cayó en paralelo, apuntando a materiales que podrían soportar los ambientes extremos de calor y radiación.
«Este estudio indica que el ordenamiento de corto alcance – la disposición de átomos sobre una corta distancia de unos pocos diámetros atómicos – en materiales de alta entropía determina el impacto de la entropía versus la entalpía en sus estructuras y propiedades», dijo Brian Wyatt, investigador postdoctoral en Purdue y primer autor del estudio.
Por qué importa: trabajos duros, aplicaciones reales
Las implicaciones van mucho más allá del laboratorio. Al mostrar que el desorden puede ser diseñado, estos MXenes abren una nueva frontera en el diseño de materiales. Metálicos, conductivos y dispersables en agua, estos MXenes resisten donde la mayoría de los materiales fallan. Esa resistencia los convierte en candidatos para los trabajos más duros imaginables: desde el vacío del espacio hasta las presiones aplastantes del océano profundo y el desgaste corrosivo de los sistemas electroquímicos.
«Queremos continuar empujando los límites de lo que los materiales pueden hacer, especialmente en ambientes extremos donde los materiales actuales se quedan cortos», dijo Anasori.
Sus superficies ajustables añaden otra capa de promesa. Los MXenes muestran sensibilidad excepcional a gases como oxígeno, amoníaco y dióxido de nitrógeno. Su estructura bidimensional les da alta área superficial, mientras que sus terminaciones ajustables los hacen inusualmente selectivos y responsivos.
El panorama general
Aunque la historia de los MXenes apenas está comenzando, la historia ha mostrado que los nuevos materiales a menudo reencuadran los límites de la posibilidad. El bronce habilitó las primeras herramientas y armas. El acero remodeló ciudades e industria. Y el silicio dio lugar al mundo digital. Los MXenes pueden representar el siguiente paso en esa línea genealógica.
«Aquí es exactamente donde la IA se convertirá en una tecnología habilitadora», dijo Anasori. «La orientación de la ciencia computacional, machine learning e IA será crucial para navegar el mar infinito de nuevos materiales, guiando su desarrollo y ayudando a seleccionar las estructuras y composiciones con propiedades requeridas para tecnologías específicas».
Incluso si no sabemos aún qué depara el futuro de los MXenes, la lección aquí es que el propósito puede encontrarse en el desorden, y la fuerza puede emerger de lo que parece, a primera vista, caos.
