Por primera vez, Los investigadores han creado un nanocompuesto de cerámica y un material bidimensional, abriendo la puerta a nuevos diseños de nanocomposites con aplicaciones tales como baterías de estado sólido, termoeléctrica, varistores, catalizadores, sensores químicos y mucho más.

La sinterización utiliza altas temperaturas para compactar los materiales en polvo en una forma sólida. Ampliamente utilizado en la industria, Los polvos cerámicos se compactan típicamente a temperaturas de 1472 grados Fahrenheit o más. Muchos materiales de baja dimensión no pueden sobrevivir a esas temperaturas.

Pero un proceso de sinterización desarrollado por un equipo de investigadores de Penn State, llamado proceso de sinterización en frío (CSP), puede sinterizar cerámica a temperaturas mucho más bajas, menos de 572 grados F, ahorrando energía y habilitando una nueva forma de material con alto potencial comercial.

"Tenemos gente de la industria que ya está muy interesada en este trabajo, "dijo Jing Guo, un becario postdoctoral que trabaja en el grupo de Clive Randall, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Están interesados ​​en desarrollar algunas aplicaciones de materiales nuevos con este sistema y, en general, utilizando CSP para sinterizar nanocomposites ". Guo es el primer coautor del artículo que aparece en línea en Materiales avanzados .

La idea de intentar desarrollar un sistema compuesto de cerámica-2-D fue el resultado de un taller de la National Science Foundation sobre el futuro de la cerámica, organizado por Lynnette Madsen, que atrajo a 50 de los mejores científicos cerámicos de EE. UU. Yury Gogotsi, a Charles T. y Ruth M. Bach Distinguido profesor universitario y director del A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel, en la Universidad de Drexel, escuchó la presentación de Randall sobre la sinterización en frío y propuso una colaboración para desarrollar un compuesto cerámico utilizando una nueva clase de materiales bidimensionales, llamado MXenes, descubierto por Gogotsi y sus colaboradores en Drexel. Los MXenos son láminas de carburo y nitruro de unos pocos átomos de espesor que poseen una resistencia extrema. Muchos de ellos son excelentes conductores metálicos.

Si bien se sabe que mezclar incluso una cantidad muy pequeña de materiales 2-D, como el grafeno, en una cerámica puede cambiar drásticamente sus propiedades, MXene nunca se ha utilizado en compuestos cerámicos. En este trabajo, Guo y Benjamin Legum, Estudiante de doctorado de Gogotsi, mezcló de 0.5 a 5.0 por ciento de MXene en un sistema cerámico conocido llamado óxido de zinc. El MXene metálico recubrió el polvo cerámico y formó límites de grano bidimensionales continuos, que impidió el crecimiento del grano, aumentó la conductividad en dos órdenes de magnitud, transformar el óxido de zinc semiconductor en una cerámica metálica, y doble dureza del producto final. La adición de MXene también mejoró la capacidad del óxido de zinc para transformar el calor en electricidad.

"Ben venía aquí con bastante frecuencia para trabajar con Jing, y con el tiempo superaron todos los problemas relacionados con la dispersión de los 2-D MXenes en el óxido de zinc y luego sinterizándolo, ", dijo Randall." Esto abre un mundo completamente nuevo que incorpora materiales 2-D en la cerámica ".

Gogotsi agregado, "Este es el primer composite cerámico que contiene MXene. Teniendo en cuenta que ya se dispone de una treintena de MXenes con diversas propiedades, Abrimos un nuevo capítulo en la investigación sobre composites de matriz cerámica, con aplicaciones potenciales que van desde la electrónica hasta las baterías y la termoeléctrica ".

Guo y Legum son los primeros coautores del artículo "Nanocomposites cerámicos sinterizados en frío de 2D MXene y óxido de zinc".