SAFARI: Híbridos de MXenos/Grafeno seguros y sostenibles por diseño

El proyecto SAFARI pretende desarrollar nuevos materiales 2D mediante procesos sostenibles y seguros. El proyecto se centra en la creación de formulaciones híbridas de MXenos y Grafeno (Gr), de los que se sabe que poseen propiedades únicas y deseables como la estabilidad térmica y la conductividad eléctrica. El objetivo del proyecto es desarrollar materiales sostenibles y seguros que puedan utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, como biosensores, tintas conductoras y blindaje EMI.

Contexto

En los últimos años, los materiales 2D han estado en el punto de mira de las tecnologías clave (facilitadoras e innovadoras) debido a sus altas propiedades, como las bioquímicas, eléctricas, ópticas y sensoriales. Aunque muchos de estos materiales siguen siendo de interés puramente académico, otros han despertado el interés de la industria debido a sus excelentes propiedades, que han dado lugar a aplicaciones prácticas. El grafeno (es decir, grafeno y/u óxido de grafeno reducido, en lo sucesivo Gr), un material descubierto en 2004, ya se produce a gran escala y ha encontrado aplicaciones en electrónica, células solares y detección bioquímica/electroquímica. Sus propiedades han dado lugar a una nueva oleada de investigación sobre materiales 2D, conocidos o novedosos, como los dicalcogenuros de metales de transición (por ejemplo, MoS2, WS2), el nitruro de boro hexagonal, los fosforenos o sus híbridos.

Unos de los materiales 2D más prometedores son los MXenos, descubiertos en 2011, que constituyen potencialmente la mayor clase de materiales 2D, y son de carburos y nitruros de metales de transición, producidos a partir de materiales cristalinos a granel denominados fases MAX mediante la eliminación selectiva de aluminio de las fases MAX estratificadas.

Aunque ya existen algunos MXenos comerciales en bajas cantidades para fines de investigación, hay varias cuestiones que deben abordarse para su adopción generalizada por la industria:

1. Los procesos de producción de las fases MAX llevan mucho tiempo y requieren una gran cantidad de energía, y al mismo tiempo las fases MAX producidas presentan un exceso de concentración de carbono y defectos debido al uso de moldes de grafito.
2. El estado del arte de la tecnología para la producción de MXenos a partir de fases MAX se basa en el proceso de grabado, que utiliza productos químicos como el ácido fluorhídrico, los cuales son nocivos y tóxicos para el medioambiente.
3. Los materiales MXenos 2D producidos convencionalmente se caracterizan por dos inconvenientes principales: contienen un elevado número de impurezas y el tamaño del material no es fácilmente controlable.
4. Dado que los MXenos representan una nueva clase de nanomateriales bidimensionales, la evaluación de su seguridad en la salud humana y en el medioambiente es una cuestión que requiere mucha atención.

Resumen y objetivos

El proyecto SAFARI comienza con la preparación de compuestos precursores conocidos como fases MAX. Estos compuestos se utilizan después para producir dos tipos de MXenos (Ti3C2 y Cr2C) que se funcionalizan posteriormente para mejorar sus propiedades y aumentar su afinidad con el grafeno. Los materiales híbridos 2D resultantes se crearán mediante dos métodos diferentes, y posteriormente se caracterizarán sus propiedades estructurales, morfológicas y funcionales. Además, uno de los principales puntos fuertes del proyecto SAFARI es que considera la seguridad y sostenibilidad de los productos y procesos desde etapas tempranas en el diseño y desarrollo, en línea con el marco europeo de SSbD (Safe and Sustainable by Design). Por tanto, se realizará un estudio detallado de la toxicidad y ecotoxicidad de los materiales intermedios y los materiales finales, y se considerarán aspectos críticos relacionados con sus potenciales impactos ambientales y su sostenibilidad.

El objetivo principal de SAFARI es avanzar más allá del SoA en relación con la producción y utilización segura y sostenible por diseño (SSbD) y utilización de MXenos, cubriendo toda la cadena de valor, desde la preparación de precursores, la producción y funcionalización de MXenos hasta las aplicaciones finales. Para aumentar la madurez de las tecnologías SAFARI propuestas y acercarlas al mercado, se pretenden alcanzar objetivos específicos, como:

• Establecer y aplicar una estrategia de SSbD, basada en el Marco Europeo, relativa al desarrollo de tecnologías nuevas y novedosas para la adopción de materiales MXenes 2D, que abarquen todo el ciclo de vida (desde las materias primas y los precursores hasta la fabricación de los productos finales y sus escenarios de fin de vida).
• Escalar una ruta de producción sostenible para la preparación de fases MAX de alta calidad y pureza basada en la combinación de líneas piloto de Sinterización por Plasma de Chispa (SPS) y Molienda de Bolas de Alta Energía (HEBM).
• Escalar la producción de fases de MXenos mediante la emisión acústica de alta frecuencia (HFAE), un proceso rápido y respetuoso con el medio ambiente, sin utilizar ácido fluorhídrico tóxico.
• Producir dos tipos de MXenos: Ti3C2 y Cr2C a partir de sus correspondientes fases MAX.
• Proceder a la funcionalización e hibridación de MXenos con Grafeno, dando lugar a materiales que presenten excelentes propiedades eléctricas, electroquímicas y electromagnéticas y, al mismo tiempo, proporcionando configuraciones de materiales 2D más seguras para aplicaciones industriales debido a su mayor tamaño.
• Integrar/demostrar los híbridos MXenos/Grafeno en aplicaciones finales: biosensórica, tintas conductoras y blindaje electromagnético
• Desarrollar e implementar metodologías para evaluar el perfil de toxicidad y ecotoxicidad de los materiales 2D a lo largo de la cadena de valor basada en enfoques in silico e in vitro, y proceder a la evaluación de escenarios de exposición, incluida la seguridad laboral, en las líneas piloto.

En conclusión, el proyecto SAFARI representa un importante paso adelante en el desarrollo de híbridos 2D con MXenos/Grafeno para su uso en una amplia gama de aplicaciones.

Consorcio

Para poder afrontar la formulación híbrida de materiales basados en grafeno seguros y sostenibles, SAFARI cuenta con un equipo multidisciplinar y equilibrado. El consorcio reúne a 11 socios de 8 países (7 de la UE e Israel). Los socios y asociados comparten un interés común sobre el tema, aportan al proyecto múltiples conocimientos y permiten que sea representativo de todas las macrorregiones europeas.

En concreto, el consorcio está formado por:

1. SIEC BADAWCZA LUKASIEWICZ – POZNANSKI INSTYTUT TECHNOLOGICZNY (PIT) (Polonia) (Coordinador).
2. CREATIVE NANO PC (Cnano) (Grecia).
3. UNIVERSIDAD DE BURGOS (UBU) (España).
4. INSTITUTO TECNOLOGICO DEL EMBALAJE, TRANSPORTE Y LOGISTICA (ITENE) (España).
5. INSTITUTO DE SOLDADURA E QUALIDADE (ISQ) (Portugal).
6. ASOCIACION DE INVESTIGACION METALURGICA DEL NOROESTE (AIMEN) (España).
7. TEKNOLOGISK INSTITUT (DTI) (Dinamarca).
8. ISRAEL AEROSPACE INDUSTRIES LTD. (IAI) (Israel).
9. THINKWORKS BV (TW) (Países Bajos).
10. AXIA INNOVATION UG (AXIA) (Alemania).
11. METROHM DROPSENS SL (MDS) (España).

El papel de ITENE en NIAGARA

En SAFARI, ITENE participará en los paquetes de trabajo 11 (Perfil toxicológico y ecotoxicológico de los MXenos) y 13 (Perfil toxicológico y ecotoxicológico de los híbridos). Concretamente, ITENE se encargará de:

• Colaborar con UBU e ISQ para la evaluación del perfil toxicológico humano de los MXenos e híbridos, clave para identificar los peligros para la salud humana del material.
• Liderar la evaluación del perfil ecotoxicológico de los MXenos e híbridos. La caracterización de la ecotoxicidad se realizará mediante dos enfoques: bioensayos para estudiar los potenciales efectos adversos sobre organismos acuáticos y del suelo; y a partir de simulaciones del ecosistema acuático marino mediante estudios de mesocosmos.
• Colaborar con ISQ para la evaluación de los escenarios de exposición ocupacional y los niveles de exposición de los trabajadores a los nanomateriales y nanoproductos durante la fase de producción de híbridos de MXenos/Grafeno.
• Colaborar con UBU e ISQ para la realización de estudios predictivos in-silico de los MXenos e híbridos para la predicción de sus impactos toxicológicos y medioambientales.