Nella corsa per trovare materiali di sottigliezza sempre crescente, superficie e conducibilità per rendere gli elettrodi della batteria più performanti, un pezzo di argilla potrebbe aver preso il comando. Gli scienziati dei materiali del College of Engineering della Drexel University hanno inventato l'argilla, che è sia altamente conduttivo che può essere facilmente modellato in una varietà di forme e dimensioni. Rappresenta un allontanamento dalla lavorazione piuttosto complicata e costosa, attualmente utilizzata per produrre materiali per batterie agli ioni di litio e supercondensatori, e verso una che sembra un po' come stendere la pasta per biscotti con risultati ancora più dolci dal punto di vista dell'accumulo di energia.

Con la pubblicazione della loro ricetta per "argilla MXene conduttiva" nell'edizione del 1 dicembre di Natura , i ricercatori suggeriscono un cambiamento significativo nel modo in cui vengono prodotti gli elettrodi per i dispositivi di stoccaggio.

L'argilla, che presenta già una conduttività pari a quella dei metalli, può essere trasformato in un film, utilizzabile in un elettrodo, semplicemente arrotolandolo o premendolo.

"Sia le proprietà fisiche dell'argilla, costituito da particelle bidimensionali di carburo di titanio, così come le sue caratteristiche prestazionali, sembrano renderlo un candidato eccezionalmente valido per l'uso in dispositivi di accumulo di energia come batterie e supercondensatori, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University and Trustee Chair Professor presso il College of Engineering, e direttore dell'A.J. Istituto di nanomateriali Drexel, chi è coautore del documento. "La procedura per fare l'argilla usa anche molto più sicura, ingredienti facilmente disponibili rispetto a quelli che usavamo per produrre gli elettrodi MXene in passato."

La chiave per l'utilità di questo materiale, secondo Michel Barsoum, dottorato di ricerca, Illustre professore al College of Engineering e uno degli inventori di MXenes, è nella sua forma.

"Come può attestare chiunque abbia giocato con il fango, l'argilla è idrofila, amante dell'acqua, " ha detto Barsoum. "Anche l'argilla è stratificata e quando idratata, le molecole d'acqua scivolano tra gli strati e lo rendono plastico che a sua volta può essere facilmente modellato in forme complesse. Lo stesso accade qui; quando aggiungiamo acqua a MXene, l'acqua penetra tra gli strati e conferisce al materiale risultante plasticità e modellabilità. Il grafene, un materiale ampiamente studiato per l'uso negli elettrodi, d'altra parte, è conduttivo ma non ama l'acqua:è idrofobo. Quello che abbiamo scoperto è un materiale stratificato bidimensionale conduttivo che ama anche l'acqua. Il fatto che ora possiamo rotolare i nostri elettrodi in modo rapido ed efficiente, e il non dover utilizzare leganti e/o additivi conduttivi rende questo materiale molto attraente dal punto di vista della produzione di massa."

La scoperta è avvenuta mentre Michael Ghidiu, uno studente di dottorato consigliato da Barsoum e Gogotsi nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Drexel, stava testando un nuovo metodo per produrre MXenes, materiali bidimensionali inventati da Drexel che sono tra i principali candidati per l'uso nelle batterie e nei supercondensatori di nuova generazione.

Allontanandosi leggermente dal processo di incisione chimica originale introdotto da Drexel, che utilizza acido fluoridrico altamente tossico, Ghidiu ha invece utilizzato un sale fluorurato e acido cloridrico per incidere l'alluminio da una base a base di titanio, materiale ceramico stratificato chiamato fase MAX, scoperto anche a Drexel da Barsoum. Questi due ingredienti, che sono nomi familiari nella classe di chimica e sono anche molto più sicuri da maneggiare rispetto all'acido fluoridrico, ridotto la fase MAX a un mucchio di particelle nere. Per fermare la reazione e rimuovere eventuali residui di sostanze chimiche, Ghidiu ha lavato il materiale in acqua. Ma invece di trovare le familiari particelle MXene stratificate, scoprì che il sedimento inciso assorbiva l'acqua per formare un materiale simile all'argilla.

"Ci aspettavamo di trovare un materiale leggermente diverso proveniente dal nuovo processo, ma niente di simile, " ha detto Ghidiu. "Speravamo solo in un più sicuro, modo meno costoso per fare MXenes, quando qualcosa di ancora migliore è atterrato sul tavolo."

Uno dei primi test che il team ha eseguito sull'argilla è stato quello di vedere se poteva essere pressato in uno strato sottile mantenendo le sue proprietà conduttive, dopo tutto, il suo obiettivo iniziale era quello di realizzare un film conduttivo.

"Essere in grado di stendere l'argilla in un film è un bel contrasto nei tempi di produzione, sicurezza e costi rispetto alle due pratiche più comuni per la produzione di materiali per elettrodi, " Ha detto Ghidiu. "Sia il processo di incisione e peeling utilizzato per fare MXenes e un flaking, il metodo di filtrazione e deposizione, come la fabbricazione della carta, utilizza acidi forti e costosi, materiali meno comuni. Il processo di fabbricazione dell'argilla è molto più semplice, più veloce e più sicuro».

Con la nuova scoperta, si evitano tutti questi passaggi, semplificando notevolmente la lavorazione. Ora i ricercatori possono semplicemente incidere la fase MAX, lavare il materiale risultante e rotolare l'argilla risultante in film di vari spessori.

"Direi che il vantaggio più importante del nuovo metodo, oltre alla sua maggiore capacità, è che ora possiamo realizzare un elettrodo pronto all'uso in circa 15 minuti, considerando che il processo totale prima dallo stesso punto di partenza sarebbe dell'ordine di un giorno, " disse Ghidio.

La disponibilità dei suoi ingredienti rende l'argilla anche piuttosto appetibile dal punto di vista produttivo.

"Essere in grado di fare un'argilla conduttiva, essenzialmente dal carburo di titanio con l'aiuto di un comune sale di fluoruro e acido cloridrico è il materiale equivalente a fare un biscotto con gocce di cioccolato:tutti hanno questi ingredienti nella dispensa, "disse Barsoum.

Ma una domanda che risuona attraverso la maggior parte delle ricerche sui materiali di questa natura è, certo:cosa può fare con una carica elettrica?

Indagine approfondita sulle prestazioni elettrochimiche dell'argilla, condotto da Maria Lukatskaya una studentessa di dottorato consigliata da Gogotsi e Barsoum, che è stato riportato sul giornale, ha indicato che la capacità dell'argilla di immagazzinare una carica elettrica è tre volte quella riportata per i MXeni prodotti dall'incisione con acido fluoridrico. Ciò significa che potrebbe trovare usi nelle batterie che alimentano i telefoni cellulari e avviano le automobili, o anche in un supercondensatore che potrebbe un giorno aiutare le fonti di energia rinnovabile a inserirsi in una rete elettrica regionale.

"Tieni presente che questa è la primissima generazione del materiale che stiamo testando, " Ha detto Lukatskaya. "Non abbiamo fatto nulla per aumentare le sue capacità, e a 900 F/cm3 mostra già una capacità per unità di volume maggiore rispetto alla maggior parte degli altri materiali. Segnaliamo anche che non perde nulla della sua capacità per più di 10, 000 cicli di carica/scarica, quindi stiamo parlando di un pezzo di argilla piuttosto speciale qui."

Il cambiamento del mezzo degli scienziati dei materiali dalla pellicola all'argilla presenta una varietà di nuove strade per la ricerca e la produzione. L'argilla può essere modellata in qualsiasi forma. Potrebbe anche essere annacquato in una vernice conduttiva che si indurisce in pochi minuti pur mantenendo le sue proprietà conduttive. Ciò significa che potrebbe avere applicazioni nelle batterie, rivestimenti trasparenti conduttivi e rinforzo per compositi tra gli altri.

Uno studio al microscopio elettronico delle particelle di argilla disperse in acqua, condotto dal coautore Mengqiang Zhao, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Gogotsi, ha mostrato che l'argilla è costituita da singoli strati di MXene di circa un nanometro, solo pochi atomi, dello spessore di circa un nanometro. Questa struttura atomicamente sottile indica che è probabile che i ricercatori scoprano che l'argilla ha molte proprietà elettroniche e ottiche interessanti mentre continuano a saperne di più su di essa.

"Abbiamo in programma di continuare a portare avanti il ​​nostro studio di questo nuovo materiale nella speranza di sviluppare un processo di produzione veramente scalabile, migliorare la qualità e la resa di MXene ed esfoliare altre fasi MAX per produrre nuovi MXene, che non è stato possibile sintetizzare utilizzando il processo utilizzato in precedenza:le possibilità sembrano infinite. Anche se potrebbe sembrare solo un po' di argilla, Credo che questa scoperta rimodellerà la ricerca nel campo in futuro", ha detto Barsoum.