Hacer un avión de papel en la escuela solía significar problemas. Hoy es una señal de un descubrimiento prometedor en la investigación de la ciencia de los materiales que podría ayudar a que la tecnología de próxima generación, como los dispositivos portátiles de almacenamiento de energía, despegue. Investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad de Tecnología de Dalian en China han diseñado químicamente un nuevo, nanomaterial eléctricamente conductor que es lo suficientemente flexible como para plegarse, pero lo suficientemente fuerte como para soportar muchas veces su propio peso. Creen que se puede utilizar para mejorar el almacenamiento de energía eléctrica, Filtración de agua y blindaje de radiofrecuencia en tecnología desde electrónica portátil hasta cables coaxiales.

Encontrar o hacer un material delgado que sea útil para sostener y distribuir una carga eléctrica y que se pueda deformar en una variedad de formas. es una rareza en el campo de la ciencia de los materiales. La resistencia a la tracción -la resistencia del material cuando se estira- y la resistencia a la compresión -su capacidad para soportar peso- son características valiosas para estos materiales porque, con solo unos pocos átomos de espesor, su utilidad depende casi exclusivamente de su versatilidad física.

"Tome el electrodo de la pequeña batería de iones de litio que alimenta su reloj, por ejemplo, idealmente, el material conductor en ese electrodo sería muy pequeño, por lo que no tiene un reloj voluminoso atado a su muñeca, y tiene suficiente energía para hacer funcionar su reloj durante un largo período de tiempo. "dijo Michel Barsoum, Doctor, Profesor Distinguido de la Facultad de Ingeniería. "Pero, ¿qué pasaría si quisiéramos convertir la pulsera del reloj en la batería? Entonces, aún querríamos usar un material conductor que sea muy delgado y pueda almacenar energía, pero también debería ser lo suficientemente flexible como para doblarse alrededor de su muñeca. Como se puede ver, con solo cambiar una propiedad física del material -flexibilidad o resistencia a la tracción- abrimos un nuevo mundo de posibilidades ".

Este nuevo material flexible, que el grupo ha identificado como un nanocompuesto de polímero conductor, es la última expresión de la investigación en curso en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel sobre una familia de materiales compuestos bidimensionales denominados MXenes.

Este desarrollo fue facilitado por la colaboración entre los grupos de investigación de Yury Gogotsi, Doctor, Profesor distinguido de la Cátedra de la Universidad y Fideicomisario de la Facultad de Ingeniería de Drexel, y Jieshan Qiu, vicedecano de investigación de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Dalian en China. Zheng Ling, un estudiante de doctorado de Dalian, pasó un año en Drexel, encabezando la investigación que condujo a los primeros compuestos de polímero MXene. El researchchat Drexel fue financiado por subvenciones de la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU.

El equipo de Drexel ha estado examinando a los MXenes con diligencia como un paleontólogo que limpia cuidadosamente los sedimentos para desenterrar un tesoro científico. Desde que inventaron el material de carburo en capas en 2011, los ingenieros están encontrando formas de aprovechar su composición química y física para crear materiales conductores con una variedad de otras propiedades útiles.

Una de las formas más exitosas que han desarrollado para ayudar a los MXenes a expresar su variedad de habilidades es un proceso, llamado intercalación, que implica la adición de varios compuestos químicos en forma líquida. Esto permite que las moléculas se asienten entre las capas del MXene y, al hacerlo, alterar sus propiedades físicas y químicas. Algunos de los primeros y el más impresionante de sus hallazgos, demostró que los MXenes tienen un gran potencial para el almacenamiento de energía.

Para producir el nanocompuesto de polímero conductor flexible, los investigadores intercalaron el carburo de titanio MXene, con alcohol polivinílico (PVA), un polímero ampliamente utilizado como adhesivo de papel conocido como pegamento escolar o de Elmer, ya menudo se encuentra en las recetas de coloides como gel para el cabello y masilla tonta. También se intercalaron con un polímero llamado PDDA (cloruro de polidialildimetilamonio) comúnmente utilizado como coagulante en sistemas de purificación de agua.

"La singularidad de MXenes proviene del hecho de que su superficie está llena de grupos funcionales, como hidroxilo, lo que lleva a una unión estrecha entre las escamas de MXene y las moléculas de polímero, preservando al mismo tiempo la conductividad metálica de las capas de carburo delgadas en nanómetros. Esto conduce a un nanocompuesto con una combinación única de propiedades, "dijo Gogotsi.

Los resultados de ambos conjuntos de pruebas MXene se publicaron recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . En el papel, los investigadores informan que el material exhibe una mayor capacidad para almacenar carga sobre el MXene original; y 300-400 por ciento de mejora en la resistencia.

"Hemos demostrado que la capacitancia volumétrica de un nanocompuesto de polímero MXene puede ser mucho mayor en comparación con los electrodos convencionales basados ​​en carbono o incluso con el grafeno". "dijo Chang Ren, Estudiante de doctorado de Gogotsi en Drexel. "Al mezclar MXene con PVA que contenga algo de sal electrolítica, el polímero juega el papel de electrolito, pero también mejora la capacitancia porque agranda ligeramente el espacio entre capas entre las escamas de MXene, permitir que los iones penetren profundamente en el electrodo; Los iones también quedan atrapados cerca de las escamas de MXene por el polímero. Con estos electrodos conductores y sin electrolito líquido, eventualmente podemos eliminar los colectores de corriente de metal y hacer supercondensadores más livianos y delgados ".

Las pruebas también revelaron propiedades hidrofílicas del nanocompuesto, lo que significa que podría tener usos en sistemas de tratamiento de agua, tales como membranas para purificación o desalinización de agua, porque permanece estable en agua sin romperse ni disolverse.

Además, porque el material es extremadamente flexible, se puede enrollar en un tubo, que las primeras pruebas han indicado sólo sirve para aumentar su resistencia mecánica. Estas características marcan los inicios de una variedad de caminos para la investigación de este material nanocompuesto para aplicaciones desde armaduras flexibles hasta componentes aeroespaciales. El siguiente paso para el grupo será examinar cómo las proporciones variables de MXene y polímero afectarán las propiedades del nanocompuesto resultante y también explorar otros MXenes y polímeros más fuertes y resistentes para aplicaciones estructurales.