A pesar de tener solo unos pocos átomos de espesor, MXene tiene un gran impacto. Esta clase de nanomateriales bidimensionales (2D) de una sola capa exhibe propiedades deseables como excelente conductividad térmica y eléctrica, resistencia al calor y alta área de superficie específica. Estas características prometen revolucionar los dispositivos electrónicos de alto rendimiento y los sistemas de almacenamiento de energía.

Para optimizar las propiedades de MXene, los investigadores deben poder organizar copos 2D en configuraciones tridimensionales (3D). Estas arquitecturas 3D de MXene pueden aumentar la densidad de almacenamiento de energía de las baterías de iones de litio y los supercondensadores, así como proporcionar mejoras de rendimiento a los dispositivos existentes.

Desafortunadamente, hoy en día faltan métodos de fabricación confiables para construir MXene en configuraciones 3D:Rahul Panat, profesor asociado de ingeniería mecánica y director asociado del Instituto de Futuros de Fabricación en la Universidad Carnegie Mellon, busca cambiar esto.

El proceso de fabricación incorporará la impresión 3D Aerosol Jet, una tecnología de fabricación aditiva a nanoescala. Utilizando los principios de la dinámica de las gotas, MXene se dispersará en líquido y se depositará, capa por capa, en pilas de estructuras 3D para formar sensores electroquímicos y físicos.

"Estas arquitecturas tridimensionales son útiles porque tienen el potencial de 'reunir' suficientes materiales a nanoescala para su uso práctico en dispositivos electrónicos", explicó Panat.

"Si creo un electrodo a partir de arquitecturas tridimensionales, puedo aumentar drásticamente su rendimiento porque las reacciones químicas y/o bioquímicas tendrían un área de superficie más alta y un volumen 3D para operar".

El equipo de investigación probará y evaluará el rendimiento de estos dispositivos en función de su sensibilidad, reproducibilidad y repetibilidad de las mediciones.

Otro aspecto del proyecto mira hacia la próxima generación de la fuerza laboral estadounidense. Para preparar una cohorte de trabajadores calificados en tecnologías micro y nanoelectrónicas de vanguardia, el equipo de Panat está reclutando cadetes militares de EE. UU. que cursan estudios universitarios en la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad Duquesne y la Universidad de Pittsburgh. Los aprendices adicionales incluyen un Ph.D. estudiante y becario postdoctoral del laboratorio de investigación de Panat.

Los alumnos aprenderán la impresión 3D y otros métodos de fabricación avanzados, además de técnicas de caracterización de materiales como microscopía electrónica, difracción de rayos X y análisis de datos estadísticos.

Una vez que estén capacitados en la gama de técnicas de impresión 3D, los cadetes de la Fuerza Aérea, el Ejército y la Marina de los EE. UU. podrán reparar componentes mecánicos y circuitos electrónicos directamente en el campo. Esto reducirá la dependencia de la subcontratación y las cadenas de suministro que son susceptibles a graves interrupciones por eventos globales.

Aunque la investigación es de naturaleza fundamental, Panat anticipa que comenzará a impactar en la industria en cinco a siete años. A medida que la tecnología se desarrolle más, surgirán nuevos dispositivos electrónicos de alto rendimiento. + Explora más

Impresión 3D de la próxima generación de baterías