La natura reologica dei materiali MXene consente la stampa strato dopo strato di filamenti continui in reticoli e configurazioni preprogettati. Dopo un processo di liofilizzazione, queste strutture stampate vengono utilizzate a diverse densità di corrente per studiare il processo di deposito e rimozione del litio. Un esempio di applicazione pratica è il lavoro di Ma et al., che ha sviluppato uno scheletro conduttivo e poroso di MXene per anodi di litio stabili e catodi di LiFePO4, utilizzando un approccio di stampa 3D. Questo processo si basa su un inchiostro MXene ad alta concentrazione con una viscosità di 105 Pa-s e uno stress di snervamento di 3990 Pa, che si dimostra particolarmente vantaggioso per la stampa di elettrodi 3D. I gruppi litiofilici F e O di MXene reagiscono con gli ioni di litio, favorendo una deposizione uniforme di litio e prevenendo la formazione di dendriti. I dispositivi con elettrodi MXene stampati in 3D hanno mostrato una prestazione molto consistente nel tasso di carica e una stabilità dell'efficienza coulombica (CE) pari al 98% per 100 cicli.

La capacità di MXene di agire come materiale host per le batterie al litio è stata ulteriormente sviluppata da Zheng et al., che hanno esplorato l'uso di inchiostri MXene stampabili per microbatterie agli ioni di litio e supercondensatori. In questi dispositivi, i collettori di corrente MXene sono stati stampati su fosfato di litio ferro (LFP) e titanato di litio (LTO) acquoso per costruire microbatterie MXene. La stampa avviene senza l'uso di leganti, solventi organici o additivi conduttivi, rendendo il processo ecocompatibile. Le microbatterie risultanti sono state testate elettrochimicamente in un elettrolita ionogel, mostrando una capacità di scarica areale elevata di 88 µWh/cm² e una ritenzione della capacità dell'82% fino a 1000 cicli.

In parallelo alle batterie al litio, le batterie Li–S rappresentano una tecnologia di stoccaggio dell'energia di nuova generazione. Tuttavia, una delle problematiche principali in queste batterie è la crescita disordinata dei dendriti sull'anodo, che compromette la performance anodica e catodica. Sebbene le batterie Li–S siano promettenti per la loro capacità teorica, ci sono numerosi svantaggi, tra cui la natura isolante dello zolfo (S), che richiede additivi conduttivi per garantire una reazione elettrochimica reversibile. L'uso di MXene in combinazione con altri materiali per formare strutture eterostrutturate MOx-MXene ha mostrato potenzialità per affrontare questi problemi. In particolare, le strutture porose di MXene dopate con azoto, come quelle sviluppate da Wei et al., aiutano a prevenire la crescita dei dendriti e fungono da efficaci ospiti per lo zolfo, migliorando la stabilità e la capacità delle batterie Li–S.

L'adozione di MXene per migliorare le batterie Sodi-ioniche (SIB) è ancora in fase di sviluppo, ma alcune ricerche pionieristiche hanno dimostrato il suo potenziale. I materiali MXene, come il V2CTx/rGO-CNT, sono stati utilizzati per creare aerogel porosi sodiophilici, che migliorano l'infiltrazione dell'elettrolita e riducono l'espansione del volume dell'elettrodo. Questi dispositivi hanno mostrato un'alta capacità areale di 50 mA h/cm² e una buona stabilità per oltre 3000 ore, evidenziando il potenziale di MXene anche nelle batterie a ioni di sodio.

I materiali MXene e i loro compositi per batterie ricaricabili offrono prospettive brillanti per il futuro, rappresentando una vera e propria rivoluzione nell'ambito dello stoccaggio dell'energia. Grazie alla loro elevata conduttività e superficie specifica, MXene è in grado di migliorare le prestazioni delle batterie, offrendo una maggiore densità energetica, tassi di carica più veloci e una durata maggiore dei cicli. La capacità di MXene di ospitare e trattenere ioni è cruciale per lo sviluppo delle tecnologie delle batterie di nuova generazione. Tuttavia, nonostante le promesse, MXene presenta alcune limitazioni che richiedono ulteriori ricerche. La comprensione approfondita di queste caratteristiche fisiche e chimiche è fondamentale per superare le attuali difficoltà e ottenere batterie ancora più performanti.

Come le proprietà antivirali e antibatteriche dei MXene influenzano le applicazioni biomedicali

Negli ultimi anni, i materiali MXene hanno suscitato un notevole interesse nel campo della ricerca scientifica, grazie alle loro straordinarie proprietà fisiche e chimiche che li rendono adatti a numerose applicazioni, tra cui quelle biomedicali. Tra le caratteristiche più rilevanti dei MXene c'è la loro capacità di interagire con i patogeni, sia batterici che virali, grazie alla loro struttura bidimensionale e alle proprietà superficiali che favoriscono l'interazione con le cellule biologiche. Questo articolo esplora come le proprietà antivirali e antibatteriche dei MXene vengano applicate in diverse tecnologie per la salute, concentrandosi su come questi materiali stiano plasmando il futuro della medicina e delle terapie infettive.

I MXene, un gruppo di materiali costituiti da carburi e nitruri di metalli di transizione, presentano una struttura unica che li rende particolarmente promettenti per l'uso come agenti antivirali e antibatterici. La loro superficie ricca di gruppi funzionali, come ossidi e idrossidi, può essere facilmente modificata per migliorare l'efficacia contro batteri e virus. In effetti, diverse ricerche hanno dimostrato che i MXene possono inibire la crescita batterica, distruggere biofilm e persino affrontare ceppi resistenti agli antibiotici, grazie a una combinazione di effetti chimici e fisici.

Un aspetto fondamentale delle proprietà antibatteriche dei MXene è la loro capacità di generare specie reattive dell'ossigeno (ROS), che danneggiano le membrane cellulari dei batteri, portandoli alla morte. Studi recenti hanno evidenziato che l'uso di MXene in combinazione con nanoparticelle metalliche, come l'oro o il rame, può amplificare l'attività antibatterica, creando un'azione sinergica che è molto più potente rispetto all'uso dei MXene da soli. Allo stesso modo, l'uso di MXene in fototerapia, combinato con la luce infrarossa, ha mostrato risultati promettenti nel trattamento di infezioni batteriche, con una rapida eradicazione dei batteri resistenti agli antibiotici.

Per quanto riguarda le proprietà antivirali, i MXene sono in grado di agire su una varietà di virus, grazie alla loro superficie altamente reattiva e alla capacità di formare legami con le glicoproteine presenti sulla superficie dei virus. Questa interazione impedisce al virus di legarsi alle cellule ospiti e quindi di infettarle. Inoltre, alcune ricerche suggeriscono che l'uso di MXene in combinazione con altre tecnologie, come la terapia fototermica, possa aumentare l'efficacia del trattamento, riducendo il rischio di infezioni virali.

Un esempio concreto di applicazione dei MXene è l'integrazione di questi materiali in dispositivi biomedicali, come sensori elettrochimici, che permettono la rilevazione rapida e sensibile di biomarcatori di malattie infettive. Questi sensori, grazie alla loro alta superficie specifica e alla capacità di modificare la loro composizione chimica, sono in grado di rilevare anche tracce minime di agenti patogeni, permettendo diagnosi precoci e trattamenti tempestivi.

Inoltre, i MXene sono utilizzati come base per il miglioramento di materiali compositi destinati a protesi, impianti e scaffolds per la medicina rigenerativa. Questi materiali, grazie alle loro proprietà conduttive e antibatteriche, possono prevenire le infezioni nei tessuti e stimolare la guarigione cellulare. L'uso di MXene in combinazione con altre sostanze biocompatibili, come il chitosano o il grafene, ha portato alla creazione di materiali compositi con elevate prestazioni in ambito medico.

Un altro aspetto interessante riguarda l'utilizzo dei MXene nel trattamento di malattie infettive croniche, come la tubercolosi e l'HIV. Grazie alla loro capacità di interagire con virus e batteri in modo selettivo, i MXene potrebbero essere impiegati per migliorare l'efficacia delle terapie farmacologiche, riducendo gli effetti collaterali e migliorando la risposta immunitaria del paziente.

In sintesi, le proprietà antivirali e antibatteriche dei MXene offrono un potenziale straordinario per applicazioni in campo medico e biomedico, ma è fondamentale comprendere che, sebbene promettenti, queste tecnologie richiedono ulteriori studi per garantire la sicurezza e l'efficacia a lungo termine nell'uomo. La ricerca su questi materiali è ancora in fase di sviluppo e le future applicazioni dipenderanno dalla nostra capacità di ottimizzare la loro progettazione e produzione.

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