För första gången, forskare har skapat en nanokomposit av keramik och ett tvådimensionellt material, öppnar dörren för ny design av nanokompositer med sådana applikationer som solid-state-batterier, termoelektriska, varistorer, katalysatorer, kemiska sensorer och mycket mer.

Sintring använder hög värme för att kompaktera pulvermaterial till en fast form. Används ofta i industrin, keramiska pulver komprimeras vanligtvis vid temperaturer på 1472 grader Fahrenheit eller högre. Många lågdimensionella material kan inte överleva vid dessa temperaturer.

Men en sintringsprocess utvecklad av ett team av forskare vid Penn State, kallad kallsintringsprocessen (CSP), kan sintra keramik vid mycket lägre temperaturer, mindre än 572 grader F, spara energi och möjliggöra en ny form av material med hög kommersiell potential.

"Vi har branschfolk som redan är väldigt intresserade av det här arbetet, sade Jing Guo, en postdoktor som arbetar i Clive Randalls grupp, professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. "De är intresserade av att utveckla några nya materialapplikationer med det här systemet och, i allmänhet, använder CSP för att sintra nanokompositer." Guo är första medförfattare på tidningen som visas online i Avancerade material .

Idén att försöka utveckla ett keramiskt-2-D-kompositsystem var resultatet av en National Science Foundation-workshop om framtiden för keramik, arrangerad av Lynnette Madsen, som lockade 50 av de främsta keramiska forskarna i USA Yury Gogotsi, en Charles T. och Ruth M. Bach Distinguished University Professor och chef för A.J. Drexel Nanomaterials Institute, vid Drexel University, hörde Randalls presentation om kallsintring och föreslog ett samarbete för att utveckla en keramisk komposit med en ny klass av tvådimensionella material, kallas MXenes, upptäckt av Gogotsi och hans medarbetare på Drexel. MXener är hårdmetall- och nitridskivor som är några få atomer tunna som har extrem styrka. Många av dem är utmärkta metalliska ledare.

Även om det har varit känt att blanda även en mycket liten mängd 2D-material, såsom grafen, till en keramik kan dramatiskt förändra dess egenskaper, MXene har aldrig använts i keramiska kompositer. I det här arbetet, Guo och Benjamin Legum, Gogotsis doktorand, blandade 0,5 till 5,0 procent MXene till ett välkänt keramiskt system som kallas zinkoxid. Den metalliska MXene belade det keramiska pulvret och bildade kontinuerliga tvådimensionella korngränser, som förhindrade korntillväxt, ökade konduktiviteten med två storleksordningar, omvandla halvledande zinkoxid till en metallisk keramik, och fördubblad hårdhet för slutprodukten. Tillsatsen av MXene förbättrade också zinkoxidens förmåga att omvandla värme till elektricitet.

"Ben kom hit ganska ofta för att arbeta med Jing, och med tiden övervann de alla problem med att sprida 2-D MXenerna i zinkoxiden och sedan sintra den, "sa Randall." Detta öppnar en helt ny värld som innehåller 2-D-material i keramik. "

Gogotsi tillade, "Detta är den första keramiska kompositen som innehåller MXene. Med tanke på att ett trettiotal MXener med olika egenskaper redan finns tillgängliga, vi öppnar ett nytt kapitel i forskning om keramiska matriskompositer, med potentiella applikationer som sträcker sig från elektronik till batterier och termoelektriker. "

Guo och Legum är de första författare till tidningen "Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide."