Kredit:Carnegie Mellon University
Trots att MXene bara är några få atomer tjock, ger MXene en kraftfull kraft. Denna klass av enskikts, tvådimensionella (2D) nanomaterial uppvisar önskvärda egenskaper som utmärkt termisk och elektrisk ledningsförmåga, värmebeständighet och hög specifik yta. Dessa egenskaper lovar att revolutionera högpresterande elektroniska enheter och energilagringssystem.
För att optimera MXenes egenskaper måste forskare kunna arrangera 2D-flingor av den i tredimensionella (3D) konfigurationer. Sådana 3D-arkitekturer av MXene kan öka energilagringstätheten hos litiumjonbatterier och superkondensatorer, samt ge prestandaförbättringar till befintliga enheter.
Tyvärr finns det en brist på tillförlitliga tillverkningsmetoder tillgängliga idag för att bygga in MXene i 3D-konfigurationer:Rahul Panat, docent i maskinteknik och biträdande direktör för Manufacturing Futures Institute vid Carnegie Mellon University, försöker ändra på detta.
Tillverkningsprocessen kommer att inkludera Aerosol Jet 3D-utskrift, en additiv tillverkningsteknik i nanoskala. Med hjälp av principerna för droppdynamik kommer MXene att spridas i vätska och deponeras, lager för lager, i staplar av 3D-strukturer för att bilda elektrokemiska och fysiska sensorer.
Kredit:Carnegie Mellon University
"Dessa tredimensionella arkitekturer är användbara eftersom de har potential att "samla" tillräckligt med material i nanoskala för praktisk användning i elektroniska enheter," förklarade Panat.
"Om jag skapar en elektrod av de tredimensionella arkitekturerna kan jag dramatiskt öka dess prestanda eftersom de kemiska och/eller biokemiska reaktionerna skulle ha en högre ytarea och 3D-volym för drift."
Forskargruppen kommer att testa och bedöma dessa enheters prestanda baserat på deras känslighet, reproducerbarhet och repeterbarhet av mätningar.
Kredit:Carnegie Mellon University
En annan aspekt av projektet blickar framåt mot nästa generation av den amerikanska arbetskraften. För att förbereda en kohort av kvalificerade arbetare inom avancerad mikro- och nanoelektronikteknik rekryterar Panats team amerikanska militärkadetter som läser grundutbildningar vid Carnegie Mellon University, Duquesne University och University of Pittsburgh. Ytterligare praktikanter inkluderar en Ph.D. student och postdoktor från Panats forskningslaboratorium.
Eleverna kommer att lära sig 3D-utskrift och andra avancerade tillverkningsmetoder, plus materialkarakteriseringstekniker som elektronmikroskopi, röntgendiffraktion och statistisk dataanalys.
När de väl är utbildade i olika 3D-utskriftstekniker kommer kadetter från det amerikanska flygvapnet, armén och marinen att kunna reparera mekaniska komponenter och elektroniska kretsar direkt i fält. Detta kommer att minska beroendet av outsourcing och leveranskedjor som är känsliga för allvarliga störningar av globala händelser.
Även om forskningen är grundläggande till sin natur, räknar Panat med att den kommer att börja påverka industrin om fem till sju år. I takt med att tekniken utvecklas ytterligare kommer nya högpresterande elektroniska enheter att dyka upp. + Utforska vidare
