Bøjning - men ikke brud - på jagt efter nyt materiale

At lave et papirfly i skolen plejede at betyde problemer. I dag signalerer det en lovende opdagelse inden for materialevidenskabelig forskning, der kan hjælpe næste generations teknologi-lignende bærbare energilagringsenheder med at komme i gang. Forskere ved Drexel University og Dalian University of Technology i Kina har kemisk konstrueret en ny, elektrisk ledende nanomateriale, der er fleksibelt nok til at folde, men stærk nok til at understøtte mange gange sin egen vægt. De mener, at det kan bruges til at forbedre elektrisk energilagring, vandfiltrering og radiofrekvensafskærmning inden for teknologi fra bærbar elektronik til koaksialkabler.

At finde eller lave et tyndt materiale, der er nyttigt til at holde og udbetale en elektrisk ladning og kan forvrænges i forskellige former, er en sjældenhed inden for materialevidenskab. Trækstyrke - materialets styrke, når det er strakt - og trykstyrke - dets evne til at bære vægt - er værdifulde egenskaber for disse materialer, fordi, kun få atomer tykke, deres nytteværdi figurerer næsten udelukkende på deres fysiske alsidighed.

"Tag elektroden på det lille lithium-ion-batteri, der driver dit ur, for eksempel, Ideelt set ville det ledende materiale i den pågældende elektrode være meget lille - så du ikke har et omfangsrigt ur spændt fast på dit håndled - og holder nok energi til at køre dit ur i en længere periode, "sagde Michel Barsoum, Ph.d., Fremstående professor ved Ingeniørhøjskolen. "Men hvad nu hvis vi ville lave urets armbånd ind i batteriet? Så ville vi stadig gerne bruge et ledende materiale, der er meget tyndt og kan lagre energi, men den skulle også være fleksibel nok til at bøje rundt om dit håndled. Som du kan se, bare ved at ændre en fysisk egenskab ved materialet - fleksibilitet eller trækstyrke - åbner vi en ny verden af ​​muligheder. "

Dette fleksible nye materiale, som gruppen har identificeret som en ledende polymer nanokomposit, er det seneste udtryk for den igangværende forskning i Drexels afdeling for materialevidenskab og teknik om en familie af sammensatte todimensionale materialer kaldet MXenes.

Denne udvikling blev faciliteret af samarbejde mellem forskergrupper i Yury Gogotsi, Ph.d., Fremtrædende universitets- og kuratorformandsprofessor ved Engineering College i Drexel, og Jieshan Qiu, prodekan for forskning på School of Chemical Engineering ved Dalian University of Technology i Kina. Zheng Ling, en doktorand fra Dalian, tilbragte et år på Drexel, stod i spidsen for forskningen, der førte til de første MXene-polymer-kompositter. Forsker Drexel blev finansieret af tilskud fra National Science Foundation og det amerikanske energiministerium.

Drexel -teamet har flittigt undersøgt MXenes som en paleontolog, der omhyggeligt børster sediment væk for at finde frem til en videnskabelig skat. Siden opfindelsen af ​​lagdelt hårdmetal i 2011 fandt ingeniørerne måder at drage fordel af dets kemiske og fysiske sammensætning til at skabe ledende materialer med en række andre nyttige egenskaber.

En af de mest succesrige måder, de har udviklet for at hjælpe MXenes med at udtrykke deres vifte af evner, er en proces, kaldes intercalation, hvilket indebærer tilsætning af forskellige kemiske forbindelser i flydende form. Dette gør det muligt for molekylerne at bosætte sig mellem lagene i MXene og, derved, ændre dens fysiske og kemiske egenskaber. Nogle af de første, og mest imponerende af deres fund, viste, at MXenes har et stort potentiale for energilagring.

For at producere den fleksible ledende polymer nanokomposit, forskerne interkalerede titaniumcarbid MXene, med polyvinylalkohol (PVA) -en polymer, der i vid udstrækning bruges som papirklæbemiddel kendt som skole eller Elmers lim, og findes ofte i opskrifterne på kolloider som hårgel og fjollet kit. De interkalerede også med en polymer kaldet PDDA (polydiallyldimethylammoniumchlorid), der almindeligvis bruges som koaguleringsmiddel i vandrensningssystemer.

"Det unikke ved MXenes kommer fra det faktum, at deres overflade er fuld af funktionelle grupper, såsom hydroxyl, hvilket fører til en tæt binding mellem MXene -flager og polymermolekyler, samtidig med at den metalliske ledningsevne af nanometer-tynde hårdmetallag bevares. Dette fører til en nanokomposit med en unik kombination af egenskaber, "sagde Gogotsi.

Resultaterne af begge sæt MXene -test blev for nylig offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences . I avisen, forskerne rapporterer, at materialet udviser øget evne til at lagre ladning over det originale MXene; og 300-400 procent forbedring i styrke.

"Vi har vist, at den volumetriske kapacitans af en MXene-polymer nanokomposit kan være meget højere sammenlignet med konventionelle carbonbaserede elektroder eller endda grafen, "sagde Chang Ren, Gogotsis doktorand på Drexel. "Når man blander MXene med PVA, der indeholder noget elektrolyt salt, polymeren spiller rollen som elektrolyt, men det forbedrer også kapacitansen, fordi det lidt forstørrer mellemlagsrummet mellem MXene -flager, tillader ioner at trænge dybt ind i elektroden; ioner forbliver også fanget nær MXene -flagerne af polymeren. Med disse ledende elektroder og ingen flydende elektrolyt, vi kan i sidste ende eliminere metalstrømsamlere og lave lettere og tyndere superkapacitorer. "

Testen afslørede også hydrofile egenskaber ved nanokomposit, hvilket betyder, at det kan have anvendelser i vandbehandlingssystemer, såsom membran til vandrensning eller afsaltning, fordi den forbliver stabil i vand uden at bryde op eller opløses.

Ud over, fordi materialet er ekstremt fleksibelt, det kan rulles ind i et rør, som tidlige test har angivet, tjener kun til at øge dens mekaniske styrke. Disse egenskaber markerer sporhovederne på en række forskellige veje til forskning i dette nanokompositmateriale til applikationer fra fleksibel rustning til luftfartskomponenter. Det næste trin for gruppen vil være at undersøge, hvordan forskellige forhold mellem MXene og polymer vil påvirke egenskaberne af den resulterende nanokomposit og også undersøge andre MXener og stærkere og hårdere polymerer til strukturelle applikationer.