Fare un aeroplanino di carta a scuola un tempo significava guai. Oggi segnala una scoperta promettente nella ricerca sulla scienza dei materiali che potrebbe aiutare la tecnologia di prossima generazione, come i dispositivi indossabili per l'accumulo di energia, a decollare. I ricercatori della Drexel University e della Dalian University of Technology in Cina hanno ingegnerizzato chimicamente un nuovo, nanomateriale elettricamente conduttivo che è abbastanza flessibile da piegarsi, ma abbastanza forte da sostenere molte volte il proprio peso. Credono che possa essere utilizzato per migliorare lo stoccaggio di energia elettrica, filtrazione dell'acqua e schermatura a radiofrequenza nella tecnologia dall'elettronica portatile ai cavi coassiali.

Trovare o realizzare un materiale sottile che sia utile per trattenere ed erogare una carica elettrica e che possa essere contorto in una varietà di forme, è una rarità nel campo della scienza dei materiali. La resistenza alla trazione -la resistenza del materiale quando viene allungato- e la resistenza alla compressione -la sua capacità di sostenere il peso- sono caratteristiche preziose per questi materiali perché, a pochi atomi di spessore, la loro utilità dipende quasi interamente dalla loro versatilità fisica.

"Prendi l'elettrodo della piccola batteria agli ioni di litio che alimenta il tuo orologio, Per esempio, idealmente il materiale conduttivo in quell'elettrodo sarebbe molto piccolo - quindi non hai un orologio ingombrante legato al polso - e tratterebbe abbastanza energia per far funzionare l'orologio per un lungo periodo di tempo, " disse Michel Barsoum, dottorato di ricerca, Professore illustre presso la Facoltà di Ingegneria. "Ma cosa succede se volessimo trasformare il cinturino dell'orologio nella batteria? Allora vorremmo comunque utilizzare un materiale conduttivo che è molto sottile e può immagazzinare energia, ma dovrebbe anche essere abbastanza flessibile da piegarsi intorno al polso. Come potete vedere, semplicemente cambiando una proprietà fisica del materiale - flessibilità o resistenza alla trazione - apriamo un nuovo mondo di possibilità."

Questo nuovo materiale flessibile, che il gruppo ha identificato come nanocomposito polimerico conduttivo, è l'ultima espressione della ricerca in corso nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Drexel su una famiglia di materiali compositi bidimensionali chiamati MXenes.

Questo sviluppo è stato facilitato dalla collaborazione tra i gruppi di ricerca di Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University and Trustee Chair Professor presso il College of Engineering di Drexel, e Jieshan Qiu, vice preside per la ricerca della School of Chemical Engineering presso la Dalian University of Technology in Cina. Zheng Ling, uno studente di dottorato di Dalian, trascorso un anno a Drexel, guidando la ricerca che ha portato ai primi compositi MXene-polimero. La ricerca a Drexel è stata finanziata da sovvenzioni della National Science Foundation e del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Il team di Drexel ha esaminato diligentemente MXenes come un paleontologo spazza via con cura i sedimenti per portare alla luce un tesoro scientifico. Da quando hanno inventato il materiale in carburo a strati nel 2011, gli ingegneri stanno trovando modi per sfruttare la sua composizione chimica e fisica per creare materiali conduttivi con una varietà di altre proprietà utili.

Uno dei modi di maggior successo che hanno sviluppato per aiutare MXenes a esprimere la loro gamma di abilità è un processo, chiamato intercalazione, che comporta l'aggiunta di vari composti chimici in forma liquida. Ciò consente alle molecole di stabilirsi tra gli strati del MXene e, così facendo, alterarne le proprietà fisiche e chimiche. Alcuni dei primi, e la più impressionante delle loro scoperte, ha mostrato che i MXenes hanno un grande potenziale per lo stoccaggio di energia.

Per produrre il nanocomposito polimerico conduttivo flessibile, i ricercatori hanno intercalato il carburo di titanio MXene, con alcol polivinilico (PVA) -un polimero ampiamente utilizzato come adesivo per carta noto come colla di scuola o di Elmer, e spesso si trovano nelle ricette per colloidi come gel per capelli e stucco sciocco. Hanno anche intercalato con un polimero chiamato PDDA (polidiallildimetilammonio cloruro) comunemente usato come coagulante nei sistemi di purificazione dell'acqua.

"L'unicità di MXenes deriva dal fatto che la loro superficie è piena di gruppi funzionali, come idrossile, portando a uno stretto legame tra i fiocchi di MXene e le molecole di polimero, preservando la conduttività metallica degli strati di carburo sottili nanometri. Questo porta a un nanocomposito con una combinazione unica di proprietà, " disse Gogotsi.

I risultati di entrambe le serie di test MXene sono stati recentemente pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Nella carta, i ricercatori riferiscono che il materiale mostra una maggiore capacità di immagazzinare carica rispetto al MXene originale; e 300-400 per cento di miglioramento della forza.

"Abbiamo dimostrato che la capacità volumetrica di un nanocomposito polimero MXene può essere molto più alta rispetto agli elettrodi convenzionali a base di carbonio o persino al grafene, " disse Chang Ren, Studente di dottorato di Gogotsi a Drexel. "Quando si mescola MXene con PVA contenente un po' di sale elettrolitico, il polimero svolge il ruolo di elettrolita, ma migliora anche la capacità perché allarga leggermente lo spazio interstrato tra i fiocchi di MXene, permettendo agli ioni di penetrare in profondità nell'elettrodo; anche gli ioni rimangono intrappolati vicino ai fiocchi di MXene dal polimero. Con questi elettrodi conduttivi e senza elettrolita liquido, alla fine possiamo eliminare i collettori di corrente in metallo e realizzare supercondensatori più leggeri e sottili".

Il test ha anche rivelato proprietà idrofile del nanocomposito, il che significa che potrebbe avere usi nei sistemi di trattamento delle acque, quali membrane per la depurazione o la desalinizzazione dell'acqua, perché rimane stabile in acqua senza rompersi o dissolversi.

Inoltre, perché il materiale è estremamente flessibile, può essere arrotolato in un tubo, che i primi test hanno indicato serve solo ad aumentarne la resistenza meccanica. Queste caratteristiche segnano l'inizio di una varietà di percorsi di ricerca su questo materiale nanocomposito per applicazioni dalle armature flessibili ai componenti aerospaziali. Il prossimo passo per il gruppo sarà quello di esaminare come i rapporti variabili di MXene e polimero influenzeranno le proprietà del nanocomposito risultante ed esplorare anche altri MXene e polimeri più forti e più resistenti per applicazioni strutturali.