Es genial en el laboratorio pero ¿realmente funcionará? Ésa es la pregunta del millón de dólares que siempre se dirige a los investigadores de ingeniería. Para una familia de nanomateriales en capas, desarrollado y estudiado en la Universidad de Drexel, y anunciado como el futuro del almacenamiento de energía, esa respuesta es ahora, si.

Durante algún tiempo, los investigadores han estado trabajando en el uso de materiales bidimensionales, nanomateriales atómicamente delgados, como componentes para una carga más rápida, baterías y supercondensadores de mayor duración. Pero el problema con las técnicas existentes para hacerlo es que cuando el grosor de la capa de material aumenta a aproximadamente 100 micrones, aproximadamente el ancho de un cabello humano, que es el estándar de la industria para dispositivos de almacenamiento de energía, los materiales pierden su funcionalidad.

Investigación publicada recientemente por Drexel y la Universidad de Pennsylvania, muestra una nueva técnica para manipular materiales bidimensionales que permite darles la forma de películas de un espesor prácticamente utilizable, manteniendo las propiedades que los convierten en candidatos excepcionales para su uso en electrodos de supercondensadores.

El estudio, publicado en la revista Naturaleza , se centra en el uso de materiales blandos, similares a los de las pantallas de cristal líquido de teléfonos y televisores, como guía para el autoensamblaje de láminas MXene. MXenes, son una clase de nanomateriales descubiertos en Drexel en 2011, que son especialmente adecuados para el almacenamiento de energía.

"Nuestro método se basa en un matrimonio entre el ensamblaje de material blando y los nanomateriales bidimensionales funcionales, "dijo Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien fue coautor de la investigación. "Las películas de electrodos resultantes muestran un rápido transporte de iones, manejo de tarifas excepcionales, y almacenamiento de carga igual o superior a los electrodos de carbono comerciales ".

Un canal abierto

Según el coautor Yu Xia, Doctor., becario postdoctoral en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, El desafío de mantener la densidad de energía (cuánta energía pueden almacenar los dispositivos) y la densidad de potencia (qué tan rápido se puede cargar el dispositivo) de un material de almacenamiento de carga radica en mantener canales claros para el movimiento de iones a medida que los materiales se escalan a tamaños más grandes.

"El problema de la difusión de iones en los dispositivos de almacenamiento de energía, "Xia dice, "incluidas baterías y supercondensadores, se ha reconocido desde hace mucho tiempo como uno de los principales problemas que obstaculizan el desarrollo industrial de nuevas baterías y supercondensadores con mayor densidad de energía y potencia. Convencionalmente Los materiales 2-D tienen la intención de apilarse unos sobre otros como hojas de papel en un libro, resultando en una longitud de difusión de iones prolongada, lo que suprime su rendimiento cuando el grosor del electrodo se acerca a los estándares industriales ".

El método del equipo evita este problema de apilamiento, que inhibe la difusión de iones, apoyando las escamas de MXene en los electrodos verticalmente. A nivel microscópico, podría parecer algo así como levantar palillos de dientes con una tonta masilla. Además de hacer que se alineen verticalmente, su orientación también se puede ajustar moviendo la base de material blando.

La fusión del equipo de ensamblaje de materia blanda con materiales duros arrojó resultados prometedores para el futuro de MXene como material de almacenamiento de energía.

"Los electrodos MXene preparados con este método muestran una capacitancia normalizada que es casi independiente del espesor hasta al menos 200 micrones, que no es el caso de los electrodos ensamblados convencionalmente, donde las escamas de MXene se alinearían paralelas a la superficie del electrodo, "según Tyler Mathis, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel y coautor de la investigación, que realizó todas las pruebas electroquímicas de los materiales.

Párate y entrega

Si bien el "autoensamblaje de materia blanda", el proceso mediante el cual las moléculas dentro de un material se alinean en una orientación que los investigadores pueden manipular, existe desde la década de 1970, y ahora es la fuerza impulsora detrás de la televisión, pantallas de teléfonos y portátiles, combinarlo con materiales duros es un gran avance.

Aunque un par de grupos de investigación han podido diseñar la alineación vertical de materiales mediante un proceso de arriba hacia abajo, estas rutas son difíciles de ampliar para aplicaciones industriales.

"Nuestro proceso es a través del autoensamblaje, "dijo Shu Yang, Doctor., profesor en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, e Ingeniería Química y Biomolecular en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn y coautor de la investigación. "Por lo tanto, es mucho más barato y se puede ampliar en un área grande. Al final, es el concepto de usar materiales blandos con una alineación interesante y ordenar a través del ensamblaje para alinear materiales duros con nanoestructuras interesantes y funcionalidad lo que es el mayor avance ".

Para que el material 2-D se someta a este proceso, los investigadores utilizaron un tensioactivo, que puede exprimirse entre las capas de MXene para ayudarlas a formar una fase de cristal líquido. Luego, los investigadores le aplicaron un método de cizallamiento mecánico, lo que obligó a las moléculas a alinear las películas de MXene verticalmente. Los canales verticales permiten que los iones se muevan, o difuso, que es la clave de las propiedades de MXene, incluso cuando el material aumenta de espesor.

"Hay mucho conocimiento fundamental en cristales líquidos, ", Dijo Yang." La gente piensa que es una tecnología antigua, pero seguimos redescubriendo que este conocimiento es realmente muy útil y aplicable a nuevos materiales funcionales ".

Próximo en la fila

Aunque los investigadores reconocen que hay otros desafíos que superar antes de que el método pueda usarse en dispositivos del mundo real, creen que sus hallazgos brindan un emocionante avance en el campo. Los objetivos a largo plazo son aplicar el método a electrodos de supercondensadores y baterías para alimentar dispositivos electrónicos móviles, coches eléctricos, y uso en tecnologías de recolección de energía renovable.

"Es un matrimonio perfecto entre el autoensamblaje de materia blanda y los nanomateriales, "Xia dice." Estamos creando un nuevo mundo de estos materiales 2-D que se pueden utilizar en aplicaciones reales de la industria, coincidiendo con el estándar de la industria y tratando de convertirlo en un dispositivo real. Después de más de una década de trabajo en materiales 2-D, hemos encontrado una forma de superar una de las mayores barreras de aplicación y, de hecho, estamos creando un sistema que es una de las formas más plausibles de introducir estos materiales en la industria ".