Forskning sigter mod at optimere MXene i komplekse 3D-enhedsarkitekturer

På trods af at det kun er et par atomer tykt, giver MXene et kraftfuldt slag. Denne klasse af enkeltlags, todimensionelle (2D) nanomaterialer udviser ønskværdige egenskaber som fremragende termisk og elektrisk ledningsevne, varmebestandighed og højt specifikt overfladeareal. Disse egenskaber lover at revolutionere højtydende elektroniske enheder og energilagringssystemer.

For at optimere MXenes egenskaber skal forskere være i stand til at arrangere 2D-flager af det i tredimensionelle (3D) konfigurationer. Sådanne 3D-arkitekturer af MXene kan øge energilagringstætheden af ​​lithium-ion-batterier og superkondensatorer, samt give ydeevneforbedringer til eksisterende enheder.

Desværre er der mangel på pålidelige fremstillingsmetoder tilgængelige i dag til at bygge MXene ind i 3D-konfigurationer:Rahul Panat, lektor i maskinteknik og associeret direktør for Manufacturing Futures Institute ved Carnegie Mellon University, søger at ændre dette.

Fremstillingsprocessen vil inkorporere Aerosol Jet 3D-print, en nanoskala additiv fremstillingsteknologi. Ved at bruge principperne for dråbedynamik vil MXene blive spredt i væske og aflejret, lag for lag, i stakke af 3D-strukturer for at danne elektrokemiske og fysiske sensorer.

"Disse tredimensionelle arkitekturer er nyttige, fordi de har potentialet til at 'samle' nok materialer i nanoskala til praktisk brug i elektroniske enheder," forklarede Panat.

"Hvis jeg skaber en elektrode ud af de tredimensionelle arkitekturer, kan jeg dramatisk øge dens ydeevne, fordi de kemiske og/eller biokemiske reaktioner ville have et højere overfladeareal og 3D-volumen til drift."

Forskerholdet vil teste og vurdere disse enheders ydeevne baseret på deres følsomhed, reproducerbarhed og repeterbarhed af målinger.

Et andet aspekt af projektet ser frem til den næste generation af den amerikanske arbejdsstyrke. For at forberede en kohorte af dygtige arbejdere inden for avancerede mikro- og nanoelektronikteknologier, rekrutterer Panats team amerikanske militærkadetter, der forfølger bachelorgrader ved Carnegie Mellon University, Duquesne University og University of Pittsburgh. Yderligere praktikanter inkluderer en ph.d. studerende og postdoc fra Panats forskningslaboratorium.

Kursisterne vil lære 3D-print og andre avancerede fremstillingsmetoder, plus materialekarakteriseringsteknikker såsom elektronmikroskopi, røntgendiffraktion og statistisk dataanalyse.

Når de først er uddannet i rækken af ​​3D-printteknikker, vil det amerikanske luftvåben, hæren og flådens kadetter være i stand til at reparere mekaniske komponenter og elektroniske kredsløb direkte i felten. Dette vil reducere afhængigheden af ​​outsourcing og forsyningskæder, der er modtagelige for alvorlige forstyrrelser fra globale begivenheder.

Selvom forskningen er fundamental af natur, forventer Panat, at den vil begynde at påvirke industrien om fem til syv år. Efterhånden som teknologien videreudvikles, vil nye højtydende elektroniske enheder dukke op. + Udforsk yderligere

3-D-print af næste generation af batterier