Per la prima volta, i ricercatori hanno creato un nanocomposito di ceramica e un materiale bidimensionale, aprendo la porta a nuovi progetti di nanocompositi con applicazioni come batterie a stato solido, termoelettrici, varistori, catalizzatori, sensori chimici e molto altro.

La sinterizzazione utilizza un calore elevato per compattare i materiali in polvere in una forma solida. Ampiamente usato nell'industria, le polveri ceramiche sono in genere compattate a temperature di 1472 gradi Fahrenheit o superiori. Molti materiali a bassa dimensionalità non possono sopravvivere a quelle temperature.

Ma un processo di sinterizzazione sviluppato da un team di ricercatori della Penn State, chiamato processo di sinterizzazione a freddo (CSP), può sinterizzare la ceramica a temperature molto più basse, meno di 572 gradi F, risparmiando energia e consentendo una nuova forma di materiale ad alto potenziale commerciale.

"Abbiamo persone del settore che sono già molto interessate a questo lavoro, " disse Jing Guo, uno studioso post-dottorato che lavora nel gruppo di Clive Randall, professore di scienze e ingegneria dei materiali, Penn State. "Sono interessati a sviluppare alcune nuove applicazioni dei materiali con questo sistema e, generalmente, utilizzando CSP per sinterizzare nanocompositi." Guo è il primo coautore dell'articolo apparso online in Materiale avanzato .

L'idea di provare a sviluppare un sistema composito ceramico-2-D è stato il risultato di un workshop della National Science Foundation sul futuro della ceramica, organizzato da Lynnette Madsen, che ha attirato 50 dei migliori scienziati della ceramica negli Stati Uniti Yury Gogotsi, un Charles T. e Ruth M. Bach Distinguished University Professor e direttore dell'A.J. Istituto di nanomateriali Drexel, alla Drexel University, ascoltato la presentazione di Randall sulla sinterizzazione a freddo e proposto una collaborazione per sviluppare un composito ceramico utilizzando una nuova classe di materiali bidimensionali, chiamato MXenes, scoperto da Gogotsi e dai suoi collaboratori a Drexel. I MXeni sono fogli di carburo e nitruro sottili di pochi atomi che possiedono una resistenza estrema. Molti di loro sono ottimi conduttori metallici.

Sebbene sia noto che la miscelazione anche di una quantità molto piccola di materiali 2-D, come il grafene, in una ceramica può cambiare drasticamente le sue proprietà, MXene non è mai stato utilizzato nei compositi ceramici. In questo lavoro, Guo e Benjamin Legum, dottorando di Gogotsi, miscelato dallo 0,5 al 5,0 percento di MXene in un noto sistema ceramico chiamato ossido di zinco. Il MXene metallico ha rivestito la polvere di ceramica e ha formato bordi di grano bidimensionali continui, che ha impedito la crescita del grano, aumentato la conducibilità di due ordini di grandezza, trasformare l'ossido di zinco semiconduttore in una ceramica metallica, e doppia durezza del prodotto finale. L'aggiunta di MXene ha anche migliorato la capacità dell'ossido di zinco di trasformare il calore in elettricità.

"Ben veniva qui abbastanza spesso per lavorare con Jing, e nel tempo hanno superato tutti i problemi legati alla dispersione dei MXeni 2-D nell'ossido di zinco e quindi alla sinterizzazione, " ha detto Randall. "Questo apre un mondo completamente nuovo che incorpora materiali 2-D in ceramica."

Gogotsi ha aggiunto, "Questo è il primo composito ceramico contenente MXene. Tenendo conto che sono già disponibili una trentina di MXene con proprietà diverse, stiamo aprendo un nuovo capitolo nella ricerca sui compositi a matrice ceramica, con potenziali applicazioni che vanno dall'elettronica alle batterie e ai termoelettrici."

Guo e Legum sono co-primi autori dell'articolo "Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide".