Ett KAIST-team utvecklade teknologi som tillåter massproduktion av tvådimensionell (2-D) nanomaterialspridning genom att utnyttja den karakteristiska skjuvkraften från hydraulisk kraft.

2-D nanosheetdispersionen kan appliceras direkt på lösningsbaserade processer för att tillverka enheter för elektronik samt energilagring och omvandling. Det förväntas användas i dessa enheter med förbättrad prestanda.

Det har gjorts många undersökningar om massproduktion av olika 2-D nanomaterial eftersom de visar enastående fysiska och kemiska egenskaper när de verkligen är 2-D.

Endast med stark mekanisk kraft eller kemisk reaktion, varje befintlig exfolieringsmetod har sin begränsning för att göra 2D-material när tillverkningsskala ökar. De står också inför problem med höga kostnader och lång processtid.

Dessutom, 2-D nanosheets genom exfoliering har en tendens att agglomerera på grund av ytenergin. Vanligtvis, organiskt lösningsmedel eller ytaktivt medel krävs för att erhålla högt utbyte och koncentration av 2-D-material genom att minimera agglomeration.

Efter flera års forskning, Professor Do Hyun Kim vid institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och hans team verifierade att optimerad skjuvning i deras reaktor gav den högsta effektiviteten för exfoliering av nanomaterial. För den ökade reaktorkapaciteten, de valde ett flöde och ett dispergeringsmedel för att utveckla en höghastighets, massproduktionsprocess för att få 2-D nanosheets genom fysisk exfoliering med en vattenlösning.

Teamet föreslog en flödesreaktor baserad på Taylor-Couette-flöde, som har fördelen av hög skjuvhastighet och blandningseffektivitet även under stor reaktorkapacitet.

I denna forskning, Professor Young-Kyu Han vid Dongguk University-Seoul utförde Ab initio-beräkningen för att välja det dispersiva medlet. Enligt hans beräkning, en jonisk vätska kan stabilisera och sprida 2-D nanomaterial även i en liten koncentration. Denna beräkning kan maximera exfolieringseffektiviteten.

Professor Bong Gill Choi vid Kangwon National University utförde utvärderingen av enheten gjord av resulterande dispersion. Teamet använde en membranfiltreringsprocess för att göra en flexibel och mycket ledande film av 2D-material. Filmen applicerades sedan för att producera en elektrod för superkondensatoranordningen med mycket hög kapacitet per volym. De bekräftade också dess stabilitet i deras superkondensatorenhet.

Dessutom, de applicerade dispersiva nanomaterial inklusive grafen, molybdendisulfid (MoS₂), och bornitrid (BN) till bläckstråleskrivarbläck och realiserade mikrometertjocka nanomaterialmönster på A4-papper. Grafenbläcket visade ingen förlust av elektriska egenskaper efter tryckning utan ytterligare värmebehandling.

Professor Kim sa, "Denna nya teknik för höghastighets massproduktion av nanomaterial kan lätt appliceras på olika 2-D nanomaterial. Den kommer att påskynda produktionen av högeffektiva enheter för optoelektronik, biosensorer, och energilagrings-/konverteringsenheter med låg kostnad."