Da più di un decennio, nanomateriali bidimensionali, come il grafene, sono stati pubblicizzati come la chiave per realizzare microchip migliori, batterie, antenne e molti altri dispositivi. Ma una sfida significativa nell'utilizzo di questi materiali da costruzione sottili come un atomo per la tecnologia del futuro è garantire che possano essere prodotti in grandi quantità senza perdere la loro qualità. Per uno dei nuovi tipi più promettenti di nanomateriali 2-D, MXene, non è più un problema. I ricercatori della Drexel University e del Centro di ricerca sui materiali in Ucraina hanno progettato un sistema che può essere utilizzato per produrre grandi quantità di materiale preservandone le proprietà uniche.

Il team ha recentemente riportato sul giornale Materiali di ingegneria avanzata che un sistema di reattori su scala di laboratorio sviluppato presso il Centro di ricerca sui materiali di Kiev, può convertire un materiale precursore ceramico in una pila di carburo di titanio MXene nero in polvere, in quantità fino a 50 grammi per lotto.

Dimostrare che grandi lotti di materiale possono essere raffinati e prodotti con coerenza è un passo fondamentale verso il raggiungimento della fattibilità per la produzione. Per i materiali MXene, che hanno già dimostrato il loro valore in prototipi di dispositivi per l'accumulo di energia, informatica, comunicazione e sanità, il raggiungimento degli standard di produzione è la dirittura d'arrivo verso l'uso mainstream.

"Dimostrare che un materiale ha determinate proprietà è una cosa, ma dimostrare che può superare le sfide pratiche della produzione è un ostacolo completamente diverso:questo studio riporta un passo importante in questa direzione, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, che ha aperto la strada alla ricerca e allo sviluppo di MXene ed è uno dei principali autori dell'articolo. "Ciò significa che MXene può essere considerato per un uso diffuso nell'elettronica e nei dispositivi di accumulo di energia".

I ricercatori di Drexel hanno prodotto MXene in piccole quantità, in genere un grammo o meno, da quando hanno sintetizzato per la prima volta il materiale nel 2011. Il nanomateriale a strati, che sembra una polvere nella sua forma secca, inizia come un pezzo di ceramica chiamato fase MAX. Quando una miscela di acido fluoridrico e acido cloridrico interagisce con la fase MAX incide alcune parti del materiale, creando i fiocchi sottili nanometri caratteristici di MXenes.

Nel laboratorio, questo processo avverrebbe in un contenitore da 60 ml con gli ingredienti aggiunti e miscelati a mano. Per controllare più attentamente il processo su scala più ampia, il gruppo utilizza una camera del reattore da un litro e un dispositivo di alimentazione a coclea per aggiungere con precisione la fase MAX. Un ingresso alimenta uniformemente i reagenti nel reattore e un altro consente lo scarico della pressione del gas durante la reazione. Una lama di miscelazione appositamente progettata garantisce una miscelazione accurata e uniforme. E una camicia di raffreddamento attorno al reattore consente al team di regolare la temperatura della reazione. L'intero processo è computerizzato e controllato da un programma software creato dal team del Centro Ricerche Materiali.

Il gruppo ha riferito di aver utilizzato con successo il reattore per produrre poco meno di 50 grammi di polvere di MXene da 50 grammi di materiale precursore di fase MAX in circa due giorni (compreso il tempo necessario per lavare e asciugare il prodotto). E una serie di test condotti dagli studenti del dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di Drexel ha dimostrato che il MXene prodotto dal reattore mantiene la morfologia, proprietà elettrochimiche e fisiche della sostanza originale prodotta in laboratorio.

Questo sviluppo mette MXenes in un gruppo con solo una manciata di materiali 2-D che hanno dimostrato di poter essere prodotti in quantità di dimensioni industriali. Ma poiché la produzione di MXene è un processo di produzione sottrattivo, che rimuove frammenti di una materia prima, come piallatura del legname, si distingue dai processi additivi utilizzati per produrre molti altri nanomateriali 2-D.

"La maggior parte dei materiali 2-D sono realizzati utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, " ha detto Christopher Shuck, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato presso l'A.J. Istituto di nanomateriali Drexel. "Qui è dove gli atomi vengono aggiunti individualmente, uno per uno. Questi materiali possono essere coltivati ​​su superfici specifiche o depositando atomi utilizzando apparecchiature molto costose. Ma anche con queste costose macchine e catalizzatori utilizzati, i lotti di produzione richiedono molto tempo, piccolo e ancora proibitivo per un uso diffuso al di là dei piccoli dispositivi elettronici."

Gli MXene beneficiano anche di una serie di proprietà fisiche che facilitano il loro percorso dal materiale lavorato al prodotto finale, un ostacolo che ha fatto inciampare anche i materiali avanzati ampiamente utilizzati di oggi.

"Di solito ci vuole un po' di tempo per sviluppare la tecnologia e l'elaborazione per ottenere i nanomateriali in una forma utilizzabile industrialmente, " Disse Gogotsi. "Non si tratta solo di produrli in grandi quantità, spesso richiede l'invenzione di macchinari e processi completamente nuovi per ottenerli in una forma che possa essere inserita nel processo di produzione, di un microchip o di un componente di un telefono cellulare, Per esempio."

Ma per MXenes, l'integrazione nella linea di produzione è una parte abbastanza facile, secondo Gogotsi.

"Un enorme vantaggio di MXenes è che possono essere utilizzati come polvere subito dopo la sintesi o possono essere dispersi in acqua formando soluzioni colloidali stabili, " ha detto. "L'acqua è il meno costoso e il solvente più sicuro. E con il processo che abbiamo sviluppato, possiamo timbrare o stampare decine di migliaia di dispositivi piccoli e sottili, come supercondensatori o tag RFID, da materiale realizzato in un unico lotto."

Ciò significa che può essere applicato in qualsiasi delle varietà standard di sistemi di produzione additiva:estrusione, stampa, rivestimento ad immersione, spruzzatura, dopo una singola fase di lavorazione.

Diverse aziende stanno cercando di sviluppare le applicazioni dei materiali MXene, tra cui Murata Manufacturing Co, srl, un'azienda di componenti elettronici con sede a Kyoto, Giappone, che sta sviluppando la tecnologia MXene da utilizzare in diverse applicazioni high-tech.

"La parte più entusiasmante di questo processo è che fondamentalmente non c'è alcun fattore limitante a un aumento di scala industriale, " Ha detto Gogotsi. "Ci sono sempre più aziende che producono fasi MAX in grandi lotti, e un certo numero di questi sono realizzati utilizzando materiali precursori abbondanti. E gli MXene sono tra i pochissimi materiali 2-D che possono essere prodotti mediante sintesi chimica umida su larga scala utilizzando apparecchiature e progetti di ingegneria delle reazioni convenzionali".