È fantastico in laboratorio, ma funzionerà davvero? Questa è la domanda da un milione di dollari perennemente rivolta ai ricercatori di ingegneria. Per una famiglia di nanomateriali stratificati, sviluppato e studiato alla Drexel University, e annunciato come il futuro dell'accumulo di energia, la risposta è ora, sì.

Per un po 'di tempo, i ricercatori hanno lavorato sull'utilizzo di materiali bidimensionali, nanomateriali atomicamente sottili, come componenti per una ricarica più rapida, batterie e supercondensatori di lunga durata. Ma il problema con le tecniche esistenti per farlo è che quando lo spessore dello strato di materiale viene aumentato a circa 100 micron, all'incirca la larghezza di un capello umano, che è lo standard del settore per i dispositivi di accumulo di energia:i materiali perdono la loro funzionalità.

Una ricerca pubblicata di recente da Drexel e dall'Università della Pennsylvania, mostra una nuova tecnica di manipolazione di materiali bidimensionali che consente loro di essere modellati in film di spessore praticamente utilizzabile, pur mantenendo le proprietà che li rendono candidati eccezionali per l'uso negli elettrodi dei supercondensatori.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Natura , si concentra sull'utilizzo di materiali morbidi, simili a quelli dei display a cristalli liquidi di telefoni e televisori, come guida per l'autoassemblaggio dei fogli MXene. MXene, sono una classe di nanomateriali scoperta a Drexel nel 2011, particolarmente adatti per l'accumulo di energia.

"Il nostro metodo si basa su un matrimonio tra assemblaggio di materiali morbidi e nanomateriali funzionali 2-D, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, che è stato coautore della ricerca. "I film di elettrodi risultanti mostrano un rapido trasporto di ioni, eccezionale gestione delle tariffe, e stoccaggio di carica pari o superiore agli elettrodi di carbonio commerciali."

Un canale aperto

Secondo il coautore Yu Xia, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato presso la Penn's School of Engineering and Applied Science, la sfida di mantenere la densità di energia (quanta energia i dispositivi possono immagazzinare) e la densità di potenza (quanto velocemente il dispositivo può caricare) di un materiale che immagazzina carica sta nel mantenere chiari canali per il movimento degli ioni man mano che i materiali vengono ridimensionati a dimensioni maggiori.

"Il problema della diffusione ionica nei dispositivi di accumulo di energia, "Xia dice, "comprese batterie e supercondensatori, è stato a lungo riconosciuto come uno dei principali problemi che ostacolano lo sviluppo industriale di nuove batterie e supercondensatori con maggiore energia e densità di potenza. Convenzionalmente, I materiali 2-D intendono impilarsi uno sopra l'altro come fogli di carta in un libro, con conseguente lunghezza di diffusione ionica prolungata, che sopprime le loro prestazioni quando lo spessore dell'elettrodo si avvicina agli standard industriali."

Il metodo del team evita questo problema di accatastamento, che inibisce la diffusione ionica, appoggiando verticalmente i fiocchi di MXene negli elettrodi. A livello microscopico, potrebbe sembrare qualcosa come gli stuzzicadenti in piedi in uno stupido stucco. Oltre a farli allineare verticalmente, il loro orientamento può essere regolato anche spostando la base in materiale morbido.

La fusione del gruppo di assemblaggio di materia morbida con materiali duri ha prodotto risultati promettenti per il futuro di MXene come materiale di accumulo di energia.

"Gli elettrodi MXene preparati con questo metodo mostrano una capacità normalizzata che è quasi indipendente dallo spessore fino ad almeno 200 micron, che non è il caso degli elettrodi assemblati convenzionalmente, dove i fiocchi di MXene sarebbero allineati parallelamente alla superficie dell'elettrodo, "Secondo Tyler Mathis, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Drexel e coautore della ricerca, che ha eseguito tutti i test elettrochimici dei materiali.

Alzati e consegna

Mentre "l'autoassemblaggio della materia morbida" - il processo mediante il quale le molecole all'interno di un materiale si allineano in un orientamento che i ricercatori possono manipolare - esiste dagli anni '70, ed è ora la forza trainante della televisione, display di telefoni e laptop, combinarlo con materiali duri è una svolta significativa.

Sebbene un paio di gruppi di ricerca siano stati in grado di progettare l'allineamento verticale dei materiali utilizzando un processo dall'alto verso il basso, questi percorsi sono difficili da scalare per applicazioni industriali.

"Il nostro processo avviene attraverso l'autoassemblaggio, "ha detto Shu Yang, dottorato di ricerca, professore nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Ingegneria chimica e biomolecolare presso la Penn's School of Engineering and Applied Science e co-autore della ricerca. "Quindi è molto più economico e può essere scalabile su una vasta area. Alla fine, è il concetto di utilizzare materiali morbidi con un allineamento interessante e un ordine attraverso l'assemblaggio per allineare materiali duri con nanostrutture e funzionalità interessanti che è il più grande passo avanti".

Per far sì che il materiale 2-D subisca questo processo, i ricercatori hanno utilizzato un tensioattivo, che può spremere tra gli strati di MXene per aiutarli a formare una fase a cristalli liquidi. I ricercatori hanno quindi applicato un metodo di taglio meccanico ad esso, che ha costretto le molecole ad allineare verticalmente i film di MXene. I canali verticali consentono agli ioni di muoversi, o diffuso, che è la chiave delle proprietà di MXene, anche se il materiale viene ridimensionato in spessore.

"Ci sono molte conoscenze fondamentali sui cristalli liquidi, " Yang ha detto. "La gente pensa che sia una vecchia tecnologia, ma continuiamo a riscoprire che questa conoscenza è in realtà molto utile e applicabile a nuovi materiali funzionali".

Il prossimo in linea

Sebbene i ricercatori riconoscano che ci sono altre sfide da superare prima che il metodo possa essere utilizzato nei dispositivi del mondo reale, credono che le loro scoperte forniscano un entusiasmante balzo in avanti nel campo. Gli obiettivi a lungo termine sono applicare il metodo ai supercondensatori e agli elettrodi della batteria per alimentare dispositivi elettronici mobili, auto elettrica, e l'uso nelle tecnologie di raccolta di energia rinnovabile.

"È un matrimonio perfetto tra l'autoassemblaggio della materia soffice e i nanomateriali, " Dice Xia. "Stiamo creando un nuovo mondo di questi materiali 2-D che possono essere utilizzati per applicazioni industriali reali, corrispondenza con lo standard del settore e cercando di farne un vero dispositivo. Dopo oltre un decennio di lavoro sui materiali 2-D, abbiamo trovato un modo per superare uno dei più grandi ostacoli all'applicazione e stiamo effettivamente creando un sistema che è uno dei modi più plausibili per spingere questi materiali nell'industria".