Il metodo solvotermico è una tecnica di sintesi avanzata utilizzata per la produzione di nanomateriali, impiegando un solvente sotto alta pressione e temperatura. Questa tecnica consente di manipolare e ottimizzare le proprietà dei precursori, favorendo l'interazione tra di essi, il che rende possibile modellare le caratteristiche del materiale finale in base alle necessità specifiche. Per esaminare il materiale sintetizzato, si ricorre a tecniche analitiche come la diffrazione a raggi X (XRD), la spettroscopia di infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR) e la microscopia elettronica a scansione (SEM), strumenti che permettono di analizzare la struttura e la dimensione dei pori del materiale.

Per valutare l'efficacia dell'adsorbimento, in particolare per i coloranti blu di metilene e rodamina B, nonché l'antibiotico tetraciclina, sono stati effettuati esperimenti di adsorbimento variando diversi parametri del mezzo, come il tempo di contatto tra adsorbente e adsorbato, il pH, la concentrazione iniziale degli adsorbati e la proporzione tra adsorbente e adsorbato. I risultati hanno evidenziato un'ottima capacità di adsorbimento, con tassi di rimozione elevati: il 98% per il blu di metilene, il 97% per la rodamina B e il 99% per la tetraciclina. Inoltre, il processo cinetico di adsorbimento è stato descritto dal modello cinetico di pseudo-secondo ordine, e l'adsorbimento degli analiti è stato ben descritto dall'isoterma di Langmuir, con una capacità massima di adsorbimento pari a 312, 285 e 476 mg g−1 per i rispettivi analiti.

L'utilizzo di MXene per il rilevamento di pesticidi e composti fenolici ha suscitato particolare interesse nel campo della ricerca ambientale. Ad esempio, a causa del divieto di utilizzo dei pesticidi organoclorurati, sono stati adottati ampiamente i pesticidi organofosfati in agricoltura. Questi pesticidi, sebbene essenziali per il controllo dei parassiti, rappresentano un grave rischio per la salute umana, poiché sono associati a malattie croniche come problemi epatici e respiratori, e talvolta anche al cancro. Il carbendazim, un fungicida utilizzato per prevenire i parassiti nei frutti e nelle verdure, è stato vietato in vari paesi a causa delle sue comprovate proprietà cancerogene e del suo impatto sulla capacità riproduttiva umana.

In risposta a queste problematiche, i ricercatori hanno sviluppato piattaforme elettrochimiche sensibili per il rilevamento di pesticidi come il carbendazim. Un esempio significativo è un sensore elettrochimico sviluppato da Tu e collaboratori, basato su un composito auto-assemblato contenente MXene, nanocornetti di carbonio (CNHs) e β-ciclodestrina metal-organica (β-CD-MOFs). Questo sensore ha mostrato un'ottima sensibilità, selettività, ripetibilità e stabilità, con una gamma lineare che va da 3,0 nmol L−1 a 10,0 µmol L−1 e un limite di rilevamento (LOD) di 1,0 nmol L−1. Il sensore, attraverso il trasferimento di elettroni e il miglioramento dei canali di trasporto, ha permesso una rapida analisi del pesticida nel succo di pomodoro.

Altro importante sviluppo riguarda i biosensori per il rilevamento di malatione, un pesticida largamente utilizzato in agricoltura. Zhou e collaboratori hanno creato un biosensore elettrochimico basato su nanosheets di chitosano, che, combinato con MXene, ha offerto prestazioni eccellenti in termini di recupero, riproducibilità e stabilità. Il sensore, con un LOD di 0,3 × 10−5 nmol L−1 e una gamma lineare da 1 × 10−14 a 1 × 10−18 mol L−1, è stato ottimizzato per rilevare malatione in acqua, dimostrando un'applicazione cruciale nella monitorizzazione di contaminanti in ambienti acquatici.

Anche i composti fenolici, come i nitroaromatici, ampiamente utilizzati come pesticidi, plastificanti e in altri ambiti industriali, possono avere gravi conseguenze sull'ambiente e sulla salute umana. 4-nitrofenolo, ad esempio, è stato identificato come un inquinante prioritario da alcune agenzie di protezione ambientale. Huang e collaboratori hanno sviluppato una piattaforma di rilevamento elettrochimico basata su una struttura eterogenica auto-assemblata composta da Nb2CTx e Zn–Co–NC, che ha mostrato eccellenti capacità di conduzione e attività catalitica, permettendo la rilevazione del 4-nitrofenolo con una gamma lineare da 1 a 500 µmol L−1 e un limite di rilevamento di 70 nmol L−1.

La crescente concentrazione di contaminanti inorganici nell'ambiente, causata da attività antropiche come l'estrazione mineraria, i processi industriali e l'agricoltura, rappresenta un rischio significativo per la salute umana e animale. Alcuni metalli pesanti, sebbene necessari in piccole quantità per i processi biologici, in eccesso sono estremamente tossici e possono accumularsi nelle risorse idriche e negli alimenti. In questo contesto, i sensori elettrochimici basati su MXene si sono rivelati promettenti per il rilevamento di metalli pesanti come piombo, cadmio, rame e mercurio in campioni di acqua. Un esempio di tale applicazione è stato sviluppato da Zhu e collaboratori, che hanno utilizzato MXene per rilevare questi metalli in acqua, con un limite di rilevamento di 0,098 ppm per Pb2+, 0,041 ppm per Cd2+, 0,032 ppm per Cu2+ e 0,0130 ppm per Hg2+.

In sintesi, i sensori MXene, che utilizzano diverse modalità di rilevamento, come elettrochimiche, chemioreistive o basate su meccanismi di adsorbimento e desorbimento, si sono dimostrati estremamente versatili e indispensabili per il monitoraggio ambientale. Questi dispositivi sono in grado di rilevare una vasta gamma di contaminanti, dai pesticidi ai metalli pesanti, dai composti fenolici agli antibiotici, e sono cruciali per garantire la sicurezza ambientale e la salute pubblica.

Quali sono i progressi e le sfide nell'uso dei MXene per la rilevazione e il monitoraggio ambientale?

I MXene, materiali bidimensionali innovativi con proprietà straordinarie, hanno guadagnato notevole attenzione negli ultimi anni grazie al loro potenziale per applicazioni ambientali. La loro elevata stabilità chimica e termica, le proprietà idrofile, e la capacità di assorbire gas, molecole organiche e metalli li rendono particolarmente adatti per la rimozione di contaminanti e il monitoraggio ambientale. Tuttavia, nonostante queste caratteristiche promettenti, vi sono ancora sfide significative che limitano il loro utilizzo diffuso, specialmente nel campo della rilevazione di contaminanti in acqua e aria.

Studi recenti hanno evidenziato che i sensori basati su MXene, attraverso diverse tecniche elettrochimiche come la voltammetria a spostamento anodico (ASV) e la voltammetria a impulso differenziale (DPASV), sono in grado di rilevare metalli pesanti come Pb²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺ e Hg²⁺ con limiti di rilevamento (LOD) estremamente bassi, anche a livelli di concentrazione che possono avere impatti significativi sulla salute umana e sull'ambiente. Questi metalli, infatti, sono noti per il loro effetto dannoso su vari sistemi biologici, come il sistema respiratorio, neurologico e digestivo, evidenziando ulteriormente l'importanza della loro rilevazione accurata.

Uno degli sviluppi più interessanti riguarda l'uso di MXene per la rilevazione di metalli pesanti in campioni alimentari come grano, sorgo, mais e riso. L'approccio sviluppato da Chen e colleghi, che utilizza un elettrodo stampato modificato con un film di rGO/MXene drogato con melamina, ha permesso di rilevare Zn²⁺, Cd²⁺ e Pb²⁺ a livelli estremamente bassi. L'efficacia di questa tecnologia offre nuove possibilità per il monitoraggio della sicurezza alimentare, un'area che è stata storicamente difficile da monitorare con sensibilità e precisione.

Al di là dei metalli pesanti, altre sostanze come gli ioni bromato (BrO₃⁻), noti per la loro presenza nelle acque potabili e per i potenziali effetti carcinogeni, possono essere rilevati utilizzando sensori MXene. Rasheed e colleghi, ad esempio, hanno sviluppato un sensore elettrochimico capace di rilevare gli ioni bromato in acqua potabile con una LOD di 0,041 ppm, un risultato significativo considerando la pericolosità di questo contaminante nelle risorse idriche.

L'applicazione dei MXene si estende anche alla rilevazione di gas inquinanti nell'ambiente. Tra questi, l'ammoniaca (NH₃) ha ricevuto particolare attenzione a causa della sua alta tossicità e del suo ampio utilizzo nell'industria alimentare, tessile e chimica. L'esposizione anche a basse concentrazioni di NH₃ può causare irritazioni gravi alle vie respiratorie e danni ai polmoni, con effetti potenzialmente letali a concentrazioni più alte. In questo contesto, sensori MXene sono stati sviluppati per monitorare l'ammoniaca nell'aria, raggiungendo limiti di rilevamento molto bassi, dell'ordine di 0,13 ppb.

La ricerca sui sensori ottici basati su MXene è ancora meno sviluppata, ma offre un'interessante alternativa per la rilevazione di contaminanti inorganici, come evidenziato dal lavoro di Gao e colleghi, che hanno creato sensori basati su MXene per la rilevazione del Fe³⁺ utilizzando la spettrometria di fluorescenza, con una LOD di 1,4 ppm. Sebbene l'uso di MXene in sensori ottici sia meno comune, il potenziale di queste tecnologie potrebbe rivelarsi cruciale per applicazioni future, come il monitoraggio della qualità dell'acqua e dell'aria.

Nonostante i progressi ottenuti, esistono ancora sfide da affrontare. La sintesi di MXene è ancora limitata e il numero di composti sintetizzati è relativamente piccolo rispetto al loro potenziale teorico. La ricerca deve proseguire per sviluppare nuove rotte di sintesi che consentano di ottenere MXene con maggiore capacità di adsorbimento e resistenza agli ambienti estremi. Inoltre, sebbene ci sia un interesse crescente nell'uso dei MXene come materiali antimicrobici, la comprensione dei meccanismi alla base di tale attività e la valutazione della loro sicurezza e efficacia in diversi ambienti sono ancora in fase di sviluppo.

Le applicazioni ambientali dei MXene non si limitano alla rilevazione di inquinanti, ma si estendono anche alla loro rimozione. I sensori che combinano MXene con altre tecnologie, come materiali che adsorbono inquinanti organici o metalli pesanti, potrebbero rappresentare la base per sistemi avanzati di purificazione dell'acqua e dell'aria. Con l'interdisciplinarità che caratterizza il campo della ricerca sui MXene, è possibile che chimica, biologia e scienze ambientali contribuiscano a risolvere problematiche cruciali per l'ambiente e la salute umana.

In sintesi, mentre i MXene offrono un potenziale straordinario per il monitoraggio e la rimozione dei contaminanti ambientali, l'adozione su larga scala di queste tecnologie richiederà ulteriori ricerche per superare le limitazioni attuali. L'ulteriore sviluppo dei sensori MXene, soprattutto attraverso l'integrazione con altri materiali, potrebbe rappresentare un passo fondamentale per affrontare le sfide ambientali globali e migliorare la qualità dell'ambiente e della salute pubblica.

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