MXene, una classe di materiali bidimensionali derivati da carburi, nitruri e carbonitruri di metalli di transizione, ha aperto nuove prospettive in numerosi campi, tra cui l'energia, la biomedicina e l'industria dei sensori. Questi materiali, scoperti relativamente di recente, hanno dimostrato caratteristiche eccezionali che li rendono ideali per supercondensatori e batterie, portando una rivoluzione nel mondo delle tecnologie di accumulo di energia. La loro applicazione come anodi nelle batterie agli ioni di litio (LIB) è stata proposta per la prima volta da Naguib et al., che hanno evidenziato il loro potenziale per le auto elettriche e altri dispositivi ad alta efficienza energetica.

A differenza dei materiali convenzionali come il grafene o i MAX (Ti2AlC), i MXene hanno una superficie specifica che aumenta di circa dieci volte rispetto ai materiali tradizionali. Un esempio di MXene promettente per l’uso in batterie è il Ti2CTx, che ha mostrato prestazioni superiori nell'uso come anodo nelle batterie a ioni sodio (Na-ion hybrid capacitors). La capacità di intercalare e adsorbire ioni di sodio sulla superficie delle nanosheets di MXene aumenta la distanza tra i suoi strati, migliorando l'efficienza e la capacità di carica e scarica rapida.

Un altro materiale interessante della famiglia MXene è il V2CTx, che non solo può funzionare come anodo ma anche come materiale catodico. È stato progettato un supercondensatore asimmetrico con un anodo in carbonio duro e un catodo in V2CTx, che ha mostrato una densità di capacità di 50 mAh/g a 3,5 V. Le prestazioni di intercalazione degli ioni Na e Li tra gli strati di V2CTx sono risultate comparabili, suggerendo che MXene potrebbe essere utilizzato in dispositivi con una finestra di tensione di lavoro più ampia.

Oltre all'energia, MXene sta mostrando un grande potenziale nelle applicazioni biomediche e industriali. Recentemente è stato sviluppato un dispositivo altamente sensibile per monitorare il comportamento delle cellule nervose primarie dell'ippocampo e per rilevare la dopamina senza l'uso di etichette. Questo sensore biosensibile si basa su un transistor a effetto di campo (FET) basato su MXene. La capacità di assorbire piccole molecole biologiche e modificare il segnale di conduttività rende i MXene estremamente utili in biosensori e piattaforme per il rilevamento di biomolecole, come il glucosio. Un sensore basato su MXene/Au ha dimostrato una sensibilità di 4,2 µAmM−1 cm−2 e un limite di rilevamento di 5,9 × 10−6 M, evidenziando il potenziale per applicazioni diagnostiche rapide.

MXene sta anche aprendo la strada alla creazione di tessuti intelligenti. È stato sviluppato un tessuto smart che combina MXene con fibra cellulosa non tessuta, mostrando eccellenti caratteristiche termiche e capacità di antibatteriche, rendendolo ideale per applicazioni nel trattamento delle infezioni cutanee. I tessuti intelligenti così realizzati possono riscaldarsi tramite l’effetto Joule, controllando in modo preciso la temperatura e monitorando umidità e resistenza, caratteristiche essenziali per dispositivi di monitoraggio della salute e di terapia termica intelligente. Inoltre, questi tessuti sono estremamente flessibili e comodi da indossare, offrendo una potenziale applicazione nelle tecnologie indossabili per la medicina.

I gel MXene sono un altro esempio delle potenzialità di questo materiale, con applicazioni promettenti in medicina. I gel basati su MXene sono stati utilizzati per la somministrazione di farmaci, biosensori, bioimaging e rigenerazione ossea. La formulazione di idrogeli con MXene migliora la durata del materiale e consente lo sviluppo di materiali leggeri e personalizzabili, adatti per la terapia dei tessuti, la guarigione delle ferite e la biosensibilità. Questi idrogeli potrebbero rivoluzionare il trattamento di malattie croniche e il monitoraggio delle condizioni fisiologiche.

Oltre alle sue applicazioni nei sensori, MXene viene impiegato anche nella tecnologia delle onde di superficie plasmoniche (SPR). I biosensori SPR basati su MXene mostrano un’alta sensibilità e una buona capacità di rilevare biomolecole di grandi dimensioni, come cellule tumorali o batteri patogeni. Un esempio di questa applicazione è un sensore SPR basato su un ibrido grafene-MXene per il rilevamento di batteri di leptospirosi nelle urine di roditori. La sensibilità di questi dispositivi è stata notevolmente migliorata dalla progettazione ottimizzata dei sensori, che ha portato a valori di sensibilità elevati, adatti per applicazioni diagnostiche di campo.

Un altro approccio interessante riguarda l'uso di MXene come agente quenching in biosensori fluorescenti, come nel caso del rilevamento degli esosomi, che sono piccole vescicole biologiche contenenti molecole vitali come DNA e RNA. Le nanosheets di MXene sono state utilizzate in sistemi di biosensing basati su trasferimento di energia da risonanza fluorescente (FRET), mostrando grande potenziale per il monitoraggio cellulare non distruttivo e la rilevazione di biomolecole.

In conclusione, MXene si sta affermando come un materiale dalle potenzialità straordinarie in molteplici settori tecnologici e scientifici. Grazie alle sue proprietà uniche e alle numerose applicazioni emergenti, questo materiale continua a suscitare interesse nella ricerca e nello sviluppo di nuove tecnologie avanzate.

Quali sono i vantaggi dell'uso di MXene per il trattamento e il monitoraggio dei contaminanti organici nell'ambiente?

I MXene, materiali bidimensionali con una struttura unica e una vasta gamma di proprietà fisico-chimiche, sono emersi come soluzioni promettenti per il trattamento dei contaminanti ambientali, in particolare per la rimozione di sostanze organiche. Questi materiali, derivati da carburi o nitrurodi metalli di transizione, mostrano un'elevata conduttività elettrica, una superficie altamente reattiva e la capacità di essere funzionalizzati facilmente, rendendoli ideali per applicazioni in ambito ambientale.

L’utilizzo dei MXene per il trattamento dei contaminanti organici è stato ampiamente studiato, in particolare per quanto riguarda la rimozione di pesticidi, farmaci, coloranti e altri composti fenolici nelle acque e nell'aria. L'efficacia dei MXene nel catturare questi contaminanti è dovuta, in gran parte, alla loro capacità di formare legami elettrostatici o chimici con le molecole target, grazie alla loro superficie ricca di gruppi ossidrilici e altri gruppi funzionali che possono interagire con una varietà di composti.

Un aspetto fondamentale per l'uso di MXene nei sensori ambientali è l'importanza della determinazione del potenziale zeta, un parametro che riflette la carica superficiale delle particelle e il loro comportamento in diverse condizioni di pH. La capacità di adsorbire contaminanti come il piombo (Pb(II)) e il mercurio (Hg(II)) è significativamente influenzata dal pH del mezzo, come evidenziato in numerosi studi che mostrano come l'adsorbimento di questi metalli pesanti aumenti al di sopra del punto di carica zero (pHPZC) di MXene. Allo stesso modo, l'uso di MXene nella rimozione di inquinanti cationici si è rivelato promettente, con evidenze che dimostrano la sua alta efficienza in ambienti acquosi.

Studi recenti hanno dimostrato che l'aggiunta di nanomateriali come i nanocubi di palladio (PdNCs) su MXene può migliorare le proprietà elettrochimiche del materiale, permettendo una rilevazione ultrasensibile di composti come la nitrofurantoina nelle acque reflue ospedaliere, con limiti di rilevamento (LOD) che arrivano fino a 0,01 nmol L−1. L'uso di MXene in sensori elettrochimici è ampiamente studiato per la sua alta sensibilità, velocità di risposta e stabilità. Questi sensori sono in grado di rilevare composti organici a livelli di concentrazione estremamente bassi, come dimostrato nei sensori sviluppati per il fenolo in acque reflue o per il malathion, un pesticida, in soluzioni acquose.

Oltre ai sensori elettrochimici, i MXene sono anche impiegati in sensori basati su meccanismi di adsorbimento-desorbimento, che sfruttano le loro proprietà chimico-resistive. Ad esempio, la resistenza di MXene cambia significativamente in presenza di composti organici nell'aria, come il metanolo o l’etilene, facendo di questi materiali una scelta interessante per applicazioni di monitoraggio atmosferico. Tali tecnologie sono state applicate per rilevare una vasta gamma di composti organici volatili, dai solventi industriali agli alcol, con vantaggi in termini di economia, facilità d’uso e compatibilità ambientale.

Il trattamento delle acque reflue è un altro campo in cui i MXene stanno mostrando un notevole potenziale. L'uso di MXene per rimuovere coloranti organici dalle acque reflue attraverso meccanismi di adsorbimento-desorbimento è particolarmente promettente. Questa tecnica non solo si è rivelata efficace, ma offre anche numerosi vantaggi economici e operativi, come l'alta capacità di adsorbimento, la facile rigenerazione del materiale e la bassa produzione di scarti. L'integrazione dei MXene con altri materiali, come il MOF (framework organico metallico) o il carbonio attivo, può ulteriormente potenziare la loro efficienza nel trattamento delle acque reflue, migliorando la capacità di rimozione di contaminanti organici a concentrazioni molto basse.

L'uso dei MXene nel trattamento ambientale richiede, tuttavia, una comprensione approfondita delle condizioni di operazione ottimali, come il pH, la temperatura e la composizione del mezzo. La stabilità a lungo termine e la resistenza alla degradazione sono anche aspetti cruciali che determinano l'efficacia dei MXene come materiale adsorbente. Inoltre, la ricerca in corso suggerisce che l'ossidazione parziale di MXene, che modifica la sua struttura superficiale, può migliorare le sue prestazioni in applicazioni specifiche, come nel caso dei sensori resistivi, senza compromettere la sua conduttività elettrica.

La combinazione delle proprietà uniche dei MXene con altre tecnologie emergenti potrebbe portare a soluzioni avanzate e altamente efficienti per il trattamento e il monitoraggio dei contaminanti ambientali. L'adozione di MXene nella sensoristica e nel trattamento dei rifiuti industriali potrebbe avere implicazioni significative per la protezione dell'ambiente e la salute pubblica, soprattutto considerando le crescenti preoccupazioni per l'inquinamento delle acque e dell'aria da composti organici tossici.

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