Durante más de una década, los nanomateriales bidimensionales, como el grafeno, se han promocionado como la clave para hacer mejores microchips, baterías, antenas y muchos otros dispositivos. Pero un desafío significativo de usar estos materiales de construcción delgados como átomos para elLa tecnología del futuro garantiza que se puedan producir en grandes cantidades sin perder su calidad. Para uno de los nuevos tipos de nanomateriales 2D más prometedores, MXenes, eso ya no es un problema. Investigadores de la Universidad de Drexel y el Centro de Investigación de Materiales en Ucraniahan diseñado un sistema que se puede utilizar para producir grandes cantidades de material y preservar sus propiedades únicas.
El equipo informó recientemente en la revista Materiales de ingeniería avanzada que un sistema de reactor a escala de laboratorio desarrollado en el Centro de Investigación de Materiales en Kiev, puede convertir un material precursor de cerámica en una pila de carburo de titanio MXene negro en polvo, en cantidades de hasta 50 gramos por lote.
Probar que grandes lotes de material se pueden refinar y producir con consistencia es un paso crítico para lograr la viabilidad de la fabricación. Para los materiales MXene, que ya han demostrado su valía en dispositivos prototipo para almacenar energía, computación, comunicación y cuidado de la salud, alcanzandoLos estándares de fabricación son el tramo local en el camino hacia el uso convencional.
"Probar que un material tiene ciertas propiedades es una cosa, pero probar que puede superar los desafíos prácticos de la fabricación es un obstáculo completamente diferente: este estudio informa sobre un paso importante en esta dirección", dijo Yury Gogotsi, PhD, DistinguidoProfesor de la Universidad y Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien fue pionero en la investigación y el desarrollo de MXene y es el autor principal del artículo: "Esto significa que MXene puede considerarse para un uso generalizado en dispositivos electrónicos y dispositivos de almacenamiento de energía".
Los investigadores de Drexel han estado fabricando MXene en pequeñas cantidades, generalmente un gramo o menos, desde que sintetizaron el material por primera vez en 2011. El nanomaterial en capas, que parece un polvo en su forma seca, comienza como una pieza de cerámicallamada fase MAX. Cuando una mezcla de ácido fluorhídrico e clorhídrico interactúa con la fase MAX, elimina ciertas partes del material, creando las escamas nanométricas delgadas características de MXenes.
En el laboratorio, este proceso se llevaría a cabo en un recipiente de 60 ml con los ingredientes añadidos y mezclados a mano. Para controlar más cuidadosamente el proceso a mayor escala, el grupo utiliza una cámara de reactor de un litro y un dispositivo alimentador de tornillopara agregar con precisión la fase MAX. Una entrada alimenta los reactivos de manera uniforme en el reactor y otra permite el alivio de la presión de gas durante la reacción. Una cuchilla de mezcla diseñada específicamente asegura una mezcla completa y uniforme. Y una camisa de enfriamiento alrededor del reactor permite al equipo ajustar la temperaturade la reacción. Todo el proceso está computarizado y controlado por un programa de software creado por el equipo del Centro de Investigación de Materiales.
El grupo informó que usó con éxito el reactor para producir poco menos de 50 gramos de polvo MXene a partir de 50 gramos de material precursor de fase MAX en aproximadamente dos días incluido el tiempo requerido para lavar y secar el producto. Y una batería de pruebas realizadas por los estudiantesEl Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel demostró que el MXene producido en el reactor conserva las propiedades morfológicas, electroquímicas y físicas de la sustancia original fabricada en laboratorio.
Este desarrollo coloca a MXenes en un grupo con solo un puñado de materiales en 2D que han demostrado que pueden producirse en cantidades de tamaño industrial. Pero debido a que la fabricación de MXene es un proceso de fabricación sustractivo, es decir, eliminar partes de una materia prima, comocepillado de madera: se distingue de los procesos aditivos utilizados para fabricar muchos otros nanomateriales 2D.
"La mayoría de los materiales en 2D están hechos con un enfoque de abajo hacia arriba", dijo Christopher Shuck, PhD, investigador postdoctoral en el Instituto de Nanomateriales AJ Drexel. "Aquí es donde los átomos se agregan individualmente, uno por uno. Estos materialesse puede cultivar en superficies específicas o depositando átomos utilizando equipos muy caros. Pero incluso con estas máquinas y catalizadores caros utilizados, los lotes de producción requieren mucho tiempo, son pequeños y siguen siendo prohibitivamente costosos para su uso generalizado más allá de los dispositivos electrónicos pequeños ".
Los MXenes también se benefician de un conjunto de propiedades físicas que facilitan su camino desde el material procesado hasta el producto final, un obstáculo que ha tropezado incluso con los materiales avanzados ampliamente utilizados en la actualidad.
"Por lo general, lleva bastante tiempo desarrollar la tecnología y el procesamiento para obtener nanomateriales en una forma utilizable industrialmente", dijo Gogotsi. "No se trata solo de producirlos en grandes cantidades, a menudo requiere inventar maquinaria completamente nueva yprocesos para obtenerlos en una forma que se pueda insertar en el proceso de fabricación, por ejemplo, de un microchip o componente de teléfono celular "
Pero para MXenes, la integración en la línea de fabricación es una parte bastante fácil, según Gogotsi.
"Un gran beneficio para los MXenes es que se usan como polvo justo después de la síntesis o se pueden dispersar en agua formando soluciones coloidales estables", dijo. "El agua es el solvente menos costoso y más seguro. Y con el procesoque hemos desarrollado, podemos estampar o imprimir decenas de miles de dispositivos pequeños y delgados, como supercondensadores o etiquetas RFID, a partir de material fabricado en un lote ".
Esto significa que se puede aplicar en cualquiera de la variedad estándar de sistemas de fabricación aditiva: extrusión, impresión, recubrimiento por inmersión, pulverización, después de un solo paso de procesamiento.
Varias compañías están buscando desarrollar aplicaciones de materiales MXene, incluida Murata Manufacturing Co, Ltd., una compañía de componentes electrónicos con sede en Kyoto, Japón, que está desarrollando la tecnología MXene para su uso en varias aplicaciones de alta tecnología.
"La parte más emocionante de este proceso es que, fundamentalmente, no existe un factor limitante para una ampliación industrial", dijo Gogotsi. "Cada vez hay más compañías que producen fases MAX en grandes lotes, y varias de ellas se hacenutilizando abundantes materiales precursores. Y los MXenes se encuentran entre los muy pocos materiales 2D que se pueden producir mediante síntesis química húmeda a gran escala utilizando equipos y diseños de ingeniería de reacción convencionales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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