Onderzoek heeft tot doel MXene te optimaliseren in complexe 3D-apparaatarchitecturen

Ondanks dat het maar een paar atomen dik is, heeft MXene een krachtige stoot. Deze klasse van enkellaagse, tweedimensionale (2D) nanomaterialen vertoont gewenste eigenschappen zoals uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid, hittebestendigheid en een hoog specifiek oppervlak. Deze kenmerken beloven een revolutie teweeg te brengen in hoogwaardige elektronische apparaten en energieopslagsystemen.

Om de eigenschappen van MXene te optimaliseren, moeten onderzoekers 2D-vlokken ervan in driedimensionale (3D) configuraties kunnen rangschikken. Dergelijke 3D-architecturen van MXene kunnen de energieopslagdichtheid van lithium-ionbatterijen en supercondensatoren verhogen en prestatieverbeteringen bieden aan bestaande apparaten.

Helaas is er tegenwoordig een gebrek aan betrouwbare productiemethoden om MXene in 3D-configuraties te bouwen: Rahul Panat, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en associate director van het Manufacturing Futures Institute aan de Carnegie Mellon University, probeert dit te veranderen.

Het fabricageproces omvat Aerosol Jet 3D-printen, een additieve productietechnologie op nanoschaal. Met behulp van de principes van druppeldynamica zal MXene worden gedispergeerd in vloeistof en laag voor laag worden afgezet in stapels van 3D-structuren om elektrochemische en fysieke sensoren te vormen.

“Deze driedimensionale architecturen zijn nuttig omdat ze het potentieel hebben om genoeg nanoschaalmaterialen te ‘verzamelen’ voor praktisch gebruik in elektronische apparaten”, legt Panat uit.

“Als ik een elektrode maak uit de driedimensionale architecturen, kan ik de prestaties drastisch verbeteren omdat de chemische en/of biochemische reacties een groter oppervlak en 3D-volume zouden hebben voor gebruik.”

Het onderzoeksteam zal de prestaties van deze apparaten testen en beoordelen op basis van hun gevoeligheid, reproduceerbaarheid en herhaalbaarheid van metingen.

Een ander aspect van het project kijkt vooruit naar de volgende generatie Amerikaanse arbeidskrachten. Om een ​​cohort van geschoolde arbeiders voor te bereiden op het gebied van geavanceerde micro- en nano-elektronicatechnologieën, rekruteert het team van Panat Amerikaanse militaire cadetten die een bachelordiploma behalen aan de Carnegie Mellon University, Duquesne University en de University of Pittsburgh. Extra stagiairs zijn onder meer een Ph.D. student en postdoctoraal onderzoeker van het onderzoekslaboratorium van Panat.

De cursisten leren 3D-printen en andere geavanceerde productiemethoden, plus materiaalkarakteriseringstechnieken zoals elektronenmicroscopie, röntgendiffractie en statistische gegevensanalyse.

Zodra ze zijn opgeleid in het bereik van 3D-printtechnieken, zullen de cadetten van de Amerikaanse luchtmacht, het leger en de marine in staat zijn om mechanische componenten en elektronische circuits direct in het veld te repareren. Dit vermindert de afhankelijkheid van outsourcing en supply chains die vatbaar zijn voor ernstige verstoring door wereldwijde gebeurtenissen.

Hoewel het onderzoek fundamenteel van aard is, verwacht Panat dat het binnen vijf tot zeven jaar invloed zal hebben op de industrie. Naarmate de technologie verder wordt ontwikkeld, zullen nieuwe hoogwaardige elektronische apparaten ontstaan.