Efter nästan ett decennium av forskning som visar att MXene -material kan användas för att förbättra en mängd olika tekniker, Drexel -forskare har nu ett sätt att göra materialet i tillräckligt stora partier för att betraktas som livskraftigt för tillverkning. Upphovsman:Drexel University
I mer än ett decennium har tvådimensionella nanomaterial, såsom grafen, har utsetts som nyckeln till att göra bättre mikrochips, batterier, antenner och många andra enheter. Men en betydande utmaning att använda dessa atom-tunna byggmaterial för framtidens teknik är att se till att de kan produceras i bulk utan att förlora sin kvalitet. För en av de mest lovande nya typerna av 2-D-nanomaterial, MXenes, det är inte längre ett problem. Forskare vid Drexel University och Material Research Center i Ukraina har utformat ett system som kan användas för att tillverka stora mängder av materialet samtidigt som dess unika egenskaper bevaras.
Teamet rapporterade nyligen i tidningen Avancerade tekniska material att ett reaktorsystem i laboratorieskala utvecklats vid Material Research Center i Kiev, kan omvandla ett keramiskt föregångsmaterial till en hög med pulverformig svart MXen -titankarbid, i mängder så stora som 50 gram per sats.
Att bevisa att stora partier material kan förädlas och produceras med konsistens är ett kritiskt steg mot att uppnå livskraft för tillverkningen. För MXene -material, som redan har bevisat sin förmåga i prototypenheter för lagring av energi, datoranvändning, kommunikation och hälsovård, att nå tillverkningsstandarder är hemmaplan på vägen till vanlig användning.
"Att bevisa att ett material har vissa egenskaper är en sak, men att bevisa att den kan övervinna tillverkningens praktiska utmaningar är ett helt annat hinder - denna studie rapporterar om ett viktigt steg i denna riktning, "sa Yury Gogotsi, Ph.D., Framstående universitet och Bachprofessor vid Drexels tekniska högskola, som har varit föregångare inom forskning och utveckling av MXene och är huvudförfattare till tidningen. "Detta innebär att MXene kan övervägas för utbredd användning inom elektronik och energilagringsenheter."
Forskare vid Drexel har tillverkat MXene i små mängder - vanligtvis ett gram eller mindre - sedan de först syntetiserade materialet 2011. Det skiktade nanomaterialet, som ser ut som ett pulver i sin torra form, börjar som en keramikbit som kallas en MAX -fas. När en blandning av fluorvätesyra och saltsyra interagerar med MAX -fasen etsar den bort vissa delar av materialet, skapar de nanometertunna flingorna som är karakteristiska för MXenes.
I labbet, denna process skulle äga rum i en 60 ml behållare med ingredienserna tillsatta och blandade för hand. För att mer noggrant styra processen i större skala, gruppen använder en 1-liters reaktorkammare och en skruvmatare för att exakt lägga till MAX-fas. Ett inlopp matar reaktanterna enhetligt in i reaktorn och ett annat tillåter gastrycksavlastning under reaktionen. Ett särskilt utformat blandningsblad säkerställer grundlig och enhetlig blandning. Och en kylmantel runt reaktorn låter laget justera reaktionstemperaturen. Hela processen datoriseras och styrs av ett program som skapats av Materials Research Center -teamet.
Gruppen rapporterade framgångsrikt att använda reaktorn för att tillverka knappt 50 gram MXen -pulver av 50 gram MAX -fasprekursormaterial på cirka två dagar (inklusive tid som krävs för tvätt och torkning av produkten). Och ett batteri av tester som genomförts av studenter vid Drexels materialvetenskapliga och tekniska avdelning visade att den reaktorproducerade MXene behåller morfologin, elektrokemiska och fysikaliska egenskaper hos det ursprungliga laboratorietillverkade ämnet.
Denna utveckling sätter MXenes i en grupp med bara en handfull 2-D-material som har bevisat att de kan tillverkas i mängder i industriell storlek. Men eftersom MXene-tillverkning är en subtraktiv tillverkningsprocess-etsning av bitar av en råvara, som att hyvla ner virke-det skiljer sig från de additiva processer som används för att göra många andra 2-D-nanomaterial.
"De flesta 2-D-material är tillverkade med en bottom-up-metod, "sa Christopher Shuck, Ph.D., en postdoktoral forskare i A.J. Drexel Nanomaterials Institute. "Det är här atomerna läggs till individuellt, en och en. Dessa material kan odlas på specifika ytor eller genom att avsätta atomer med mycket dyr utrustning. Men även med dessa dyra maskiner och katalysatorer som används, produktionsserierna är tidskrävande, små och fortfarande oöverkomligt dyra för utbredd användning utöver små elektroniska enheter. "
MXenes drar också nytta av en uppsättning fysiska egenskaper som underlättar deras väg från bearbetat material till slutprodukt - ett hinder som har utlöst även dagens mycket använda avancerade material.
Reaktorsystemet som testats av Drexel -forskare kan producera så mycket som 50 gram MXene -material åt gången. Upphovsman:Drexel University
"Det tar vanligtvis ett tag att bygga ut tekniken och bearbetningen för att få nanomaterial i en industriellt användbar form, "Sa Gogotsi." Det är inte bara att producera dem i stora mängder, det kräver ofta att man uppfinner helt nya maskiner och processer för att få dem i en form som kan införas i tillverkningsprocessen - av ett mikrochip eller en mobiltelefonkomponent, till exempel."
Men för MXenes, integrering i produktionslinjen är en ganska enkel del, enligt Gogotsi.
"En stor fördel för MXenes är att de används som ett pulver direkt efter syntesen eller att de kan dispergeras i vatten och bilda stabila kolloidala lösningar, "sa han." Vatten är det billigaste och säkraste lösningsmedlet. Och med processen som vi har utvecklat, vi kan stämpla eller skriva ut tiotusentals små och tunna enheter, som superkondensatorer eller RFID -taggar, från material tillverkat i en sats. "
Det betyder att den kan appliceras i vilken som helst standardserie av additiva tillverkningssystem - extrudering, utskrift, doppbeläggning, sprutning - efter ett enda bearbetningssteg.
Flera företag letar efter att utveckla tillämpningarna av MXene -material, inklusive Murata Manufacturing Co, Ltd., ett elektronikkomponentföretag baserat i Kyoto, Japan, som utvecklar MXene-teknik för användning i flera högteknologiska applikationer.
"Den mest spännande delen med denna process är att det i grunden inte finns någon begränsande faktor för en industriell uppskalning, "Gogotsi sa." Det finns fler och fler företag som producerar MAX -faser i stora omgångar, och ett antal av dessa tillverkas med överflödiga prekursormaterial. Och MXenes är bland mycket få 2-D-material som kan produceras genom våtkemisk syntes i stor skala med konventionell reaktionsteknisk utrustning och design. "
