Att göra ett pappersflygplan i skolan brukade betyda problem. Idag signalerar det en lovande upptäckt inom materialvetenskaplig forskning som kan hjälpa nästa generations teknikliknande bärbara energilagringsenheter att komma av marken. Forskare vid Drexel University och Dalian University of Technology i Kina har kemiskt konstruerat en ny, elektriskt ledande nanomaterial som är tillräckligt flexibelt för att vikas, men tillräckligt stark för att bära många gånger sin egen vikt. De tror att den kan användas för att förbättra lagring av elektrisk energi, vattenfiltrering och radiofrekvensavskärmning i teknik från bärbar elektronik till koaxialkablar.

Hitta eller göra ett tunt material som är användbart för att hålla och betala ut en elektrisk laddning och kan förvrängas i olika former, är en sällsynthet inom materialvetenskap. Draghållfasthet - materialets styrka när det är töjt - och tryckhållfasthet - dess förmåga att bära vikt - är värdefulla egenskaper för dessa material eftersom, med bara några atomer tjocka, deras användbarhet siffror nästan helt på deras fysiska mångsidighet.

"Ta elektroden på det lilla litiumjonbatteriet som driver din klocka, till exempel, Helst skulle det ledande materialet i den elektroden vara väldigt litet - så att du inte har en skrymmande klocka som är spänd vid handleden - och håller tillräckligt med energi för att köra din klocka under en längre tid, "sa Michel Barsoum, Doktorsexamen, Framstående professor vid tekniska högskolan. "Men tänk om vi ville göra klockans armband till batteriet? Då skulle vi fortfarande vilja använda ett ledande material som är mycket tunt och kan lagra energi, men det måste också vara tillräckligt flexibelt för att böja runt handleden. Som du kan se, bara genom att ändra en fysisk egenskap hos materialet - flexibilitet eller draghållfasthet - öppnar vi en ny värld av möjligheter. "

Detta flexibla nya material, som gruppen har identifierat som en ledande polymer -nanokomposit, är det senaste uttrycket för den pågående forskningen i Drexels institution för materialvetenskap och teknik om en familj av sammansatta tvådimensionella material som heter MXenes.

Denna utveckling underlättades genom samarbete mellan forskargrupper i Yury Gogotsi, Doktorsexamen, Distinguished University and Trustee Chair professor vid College of Engineering i Drexel, och Jieshan Qiu, prodekan för forskning vid School of Chemical Engineering vid Dalian University of Technology i Kina. Zheng Ling, en doktorand från Dalian, tillbringade ett år på Drexel, ledde forskningen som ledde till de första MXene-polymerkompositerna. Forskaren vid Drexel finansierades med bidrag från National Science Foundation och US Department of Energy.

Drexel -teamet har flitigt undersökt MXenes som en paleontolog som noggrant borstar bort sediment för att ta fram en vetenskaplig skatt. Sedan uppfinningen av skiktkarbidmaterialet 2011 har ingenjörerna hittat sätt att dra nytta av dess kemiska och fysiska sammansättning för att skapa ledande material med en mängd andra användbara egenskaper.

Ett av de mest framgångsrika sätten de har utvecklat för att hjälpa MXenes att uttrycka sin mängd förmågor är en process, kallas intercalation, vilket innebär att man tillsätter olika kemiska föreningar i flytande form. Detta gör att molekylerna kan bosätta sig mellan lagren i MXen och, genom att göra så, ändra dess fysikaliska och kemiska egenskaper. Några av de första, och mest imponerande av deras fynd, visade att MXenes har en stor potential för energilagring.

För att producera den flexibla ledande polymernanokompositen, forskarna interkalerade titankarbiden MXene, med polyvinylalkohol (PVA) -en polymer som ofta används som papperslim, känd som skolan eller Elmers lim, och finns ofta i recepten för kolloider som hårgel och fånigt kitt. De interkalerade också med en polymer som kallas PDDA (polydiallyldimetylammoniumklorid) som vanligen används som koaguleringsmedel i vattenreningssystem.

"Det unika med MXenes kommer från det faktum att deras yta är full av funktionella grupper, såsom hydroxyl, vilket leder till en tät bindning mellan MXene -flingorna och polymermolekylerna, samtidigt som metallkonduktiviteten för nanometer-tunna hårdmetallskikt bevaras. Detta leder till en nanokomposit med en unik kombination av egenskaper, sa Gogotsi.

Resultaten av båda uppsättningarna MXene -tester publicerades nyligen i Förfaranden från National Academy of Sciences . I tidningen, forskarna rapporterar att materialet uppvisar ökad förmåga att lagra laddning över den ursprungliga MXene; och 300-400 procent förbättrad styrka.

"Vi har visat att den volymetriska kapacitansen för en MXen-polymer nanokomposit kan vara mycket högre jämfört med konventionella kolbaserade elektroder eller till och med grafen, "sa Chang Ren, Gogotsis doktorand vid Drexel. "När man blandar MXene med PVA som innehåller lite elektrolytsalt, polymeren spelar rollen som elektrolyt, men det förbättrar också kapacitansen eftersom det förstorar mellanskiktet något mellan MXene -flingor, låta joner tränga djupt in i elektroden; joner förblir också instängda nära MXene -flingorna av polymeren. Med dessa ledande elektroder och ingen flytande elektrolyt, vi kan så småningom eliminera metallströmkollektorer och göra lättare och tunnare superkondensatorer. "

Testet avslöjade också hydrofila egenskaper hos nanokompositen, vilket innebär att den kan ha användning i vattenreningssystem, såsom membran för vattenrening eller avsaltning, eftersom det förblir stabilt i vatten utan att bryta upp eller lösa sig.

Dessutom, eftersom materialet är extremt flexibelt, det kan rullas in i ett rör, vilka tidiga tester har visat endast tjänar till att öka dess mekaniska hållfasthet. Dessa egenskaper markerar spårhuvudena på en mängd olika vägar för forskning om detta nanokompositmaterial för tillämpningar från flexibel rustning till rymdkomponenter. Nästa steg för gruppen blir att undersöka hur olika förhållanden mellan MXene och polymer kommer att påverka egenskaperna hos den resulterande nanokompositen och även utforska andra MXener och starkare och tuffare polymerer för strukturella tillämpningar.