Después de casi una década de investigación que muestra que los materiales MXene se pueden utilizar para mejorar una variedad de tecnología, Los investigadores de Drexel ahora tienen una forma de fabricar el material en lotes lo suficientemente grandes como para que se considere viable para la fabricación. Crédito:Universidad de Drexel
Durante más de una década, nanomateriales bidimensionales, como el grafeno, han sido promocionados como la clave para hacer mejores microchips, baterías antenas y muchos otros dispositivos. Pero un desafío importante de utilizar estos materiales de construcción delgados como átomos para la tecnología del futuro es garantizar que se puedan producir en grandes cantidades sin perder su calidad. Para uno de los nuevos tipos de nanomateriales bidimensionales más prometedores, MXenes, eso ya no es un problema. Investigadores de la Universidad de Drexel y el Centro de Investigación de Materiales de Ucrania han diseñado un sistema que se puede utilizar para producir grandes cantidades del material conservando sus propiedades únicas.
El equipo informó recientemente en la revista Materiales de ingeniería avanzada que un sistema de reactor a escala de laboratorio desarrollado en el Centro de Investigación de Materiales en Kiev, puede convertir un material precursor cerámico en una pila de carburo de titanio MXene negro en polvo, en cantidades tan grandes como 50 gramos por lote.
Demostrar que grandes lotes de material se pueden refinar y producir con consistencia es un paso crítico para lograr la viabilidad de la fabricación. Para materiales MXene, que ya han demostrado su valía en prototipos de dispositivos para almacenar energía, informática, comunicación y asistencia sanitaria, alcanzar los estándares de fabricación es la recta final en el camino hacia el uso generalizado.
"Probar que un material tiene ciertas propiedades es una cosa, pero demostrar que puede superar los desafíos prácticos de la fabricación es un obstáculo completamente diferente:este estudio informa sobre un paso importante en esta dirección, "dijo Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien ha sido pionero en la investigación y el desarrollo de MXene y es el autor principal del artículo. "Esto significa que MXene puede considerarse para un uso generalizado en dispositivos electrónicos y de almacenamiento de energía".
Los investigadores de Drexel han estado produciendo MXene en pequeñas cantidades, generalmente un gramo o menos, desde que sintetizaron el material por primera vez en 2011. El nanomaterial en capas, que parece un polvo en su forma seca, comienza como una pieza de cerámica llamada fase MAX. Cuando una mezcla de ácido fluorhídrico y clorhídrico interactúa con la fase MAX, elimina ciertas partes del material, creando las escamas delgadas en nanómetros características de los MXenes.
En el laboratorio, este proceso se llevaría a cabo en un recipiente de 60 ml con los ingredientes añadidos y mezclados a mano. Para controlar más cuidadosamente el proceso a mayor escala, el grupo utiliza una cámara de reactor de un litro y un dispositivo alimentador de tornillo para agregar con precisión la fase MAX. Una entrada alimenta los reactivos uniformemente al reactor y otra permite el alivio de la presión del gas durante la reacción. Una cuchilla mezcladora diseñada específicamente asegura una mezcla completa y uniforme. Y una camisa de enfriamiento alrededor del reactor permite al equipo ajustar la temperatura de la reacción. Todo el proceso está computarizado y controlado por un programa de software creado por el equipo del Centro de Investigación de Materiales.
El grupo informó haber utilizado con éxito el reactor para producir poco menos de 50 gramos de polvo de MXene a partir de 50 gramos de material precursor de la fase MAX en aproximadamente dos días (incluido el tiempo necesario para lavar y secar el producto). Y una batería de pruebas realizadas por estudiantes del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel mostró que el MXene producido en el reactor conserva la morfología, propiedades electroquímicas y físicas de la sustancia original fabricada en laboratorio.
Este desarrollo coloca a MXenes en un grupo con solo un puñado de materiales 2-D que han demostrado que se pueden producir en cantidades de tamaño industrial. Pero debido a que la fabricación de MXene es un proceso de fabricación sustractivo:grabar fragmentos de una materia prima, como cepillar madera, se distingue de los procesos aditivos utilizados para fabricar muchos otros nanomateriales bidimensionales.
"La mayoría de los materiales 2-D se fabrican con un enfoque ascendente, "dijo Christopher Shuck, Doctor., investigador postdoctoral en el A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel. "Aquí es donde los átomos se agregan individualmente, uno a uno. Estos materiales pueden cultivarse en superficies específicas o depositando átomos utilizando equipos muy costosos. Pero incluso con estas costosas máquinas y catalizadores utilizados, los lotes de producción requieren mucho tiempo, pequeño y todavía prohibitivamente caro para un uso generalizado más allá de los pequeños dispositivos electrónicos ".
Los MXenes también se benefician de un conjunto de propiedades físicas que facilitan su camino desde el material procesado hasta el producto final, un obstáculo que ha superado incluso los materiales avanzados ampliamente utilizados en la actualidad.
El sistema de reactor probado por los investigadores de Drexel puede producir hasta 50 gramos de material MXene a la vez. Crédito:Universidad de Drexel
"Por lo general, lleva bastante tiempo desarrollar la tecnología y el procesamiento para obtener nanomateriales en una forma utilizable industrialmente, ", Dijo Gogotsi." No se trata solo de producirlos en grandes cantidades, a menudo requiere inventar maquinaria y procesos completamente nuevos para obtenerlos en una forma que pueda insertarse en el proceso de fabricación, de un microchip o componente de un teléfono celular, por ejemplo."
Pero para MXenes, integrarse en la línea de fabricación es una parte bastante fácil, según Gogotsi.
"Un gran beneficio de los MXenes es que se pueden usar como polvo inmediatamente después de la síntesis o se pueden dispersar en agua formando soluciones coloidales estables. ", dijo." El agua es el solvente menos costoso y más seguro. Y con el proceso que hemos desarrollado, podemos sellar o imprimir decenas de miles de dispositivos pequeños y delgados, como supercondensadores o etiquetas RFID, a partir de material fabricado en un solo lote ".
Esto significa que se puede aplicar en cualquiera de la variedad estándar de sistemas de fabricación aditiva:extrusión, impresión, recubrimiento por inmersión, pulverización:después de un solo paso de procesamiento.
Varias empresas buscan desarrollar las aplicaciones de los materiales MXene, incluyendo Murata Manufacturing Co, Limitado., una empresa de componentes electrónicos con sede en Kioto, Japón, que está desarrollando la tecnología MXene para su uso en varias aplicaciones de alta tecnología.
"La parte más emocionante de este proceso es que fundamentalmente no existe un factor limitante para una ampliación industrial, ", Dijo Gogotsi." Hay cada vez más empresas que producen fases MAX en grandes lotes, y varios de ellos se fabrican utilizando abundantes materiales precursores. Y los MXenes se encuentran entre los pocos materiales 2-D que se pueden producir mediante síntesis química húmeda a gran escala utilizando equipos y diseños de ingeniería de reacción convencionales ".
