Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een nanocomposiet gemaakt van keramiek en een tweedimensionaal materiaal, de deur openen voor nieuwe ontwerpen van nanocomposieten met toepassingen als solid-state batterijen, thermo-elektriciteit, varistoren, katalysatoren, chemische sensoren en nog veel meer.

Sinteren maakt gebruik van hoge hitte om poedermaterialen tot een vaste vorm te verdichten. Veel gebruikt in de industrie, keramische poeders worden typisch samengeperst bij temperaturen van 1472 graden Fahrenheit of hoger. Veel laagdimensionale materialen kunnen bij die temperaturen niet overleven.

Maar een sinterproces ontwikkeld door een team van onderzoekers van Penn State, het koude sinterproces (CSP) genoemd, kan keramiek bij veel lagere temperaturen sinteren, minder dan 572 graden F, energie te besparen en een nieuwe vorm van materiaal met een hoog commercieel potentieel mogelijk te maken.

"We hebben mensen uit de industrie die al erg geïnteresseerd zijn in dit werk, " zei Jing Guo, een postdoctoraal onderzoeker die werkt in de groep van Clive Randall, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Ze zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van een aantal nieuwe materiaaltoepassingen met dit systeem en, in het algemeen, CSP gebruiken om nanocomposieten te sinteren." Guo is de eerste co-auteur van het artikel dat online verschijnt in Geavanceerde materialen .

Het idee om een ​​keramisch-2-D composietsysteem te ontwikkelen was het resultaat van een workshop van de National Science Foundation over de toekomst van keramiek, georganiseerd door Lynnette Madsen, die 50 van de beste keramische wetenschappers in de V.S. Yury Gogotsi trok, een Charles T. en Ruth M. Bach Distinguished University Professor en directeur van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut, aan de Drexel Universiteit, hoorde Randall's presentatie over koud sinteren en stelde een samenwerking voor om een ​​keramisch composiet te ontwikkelen met behulp van een nieuwe klasse van tweedimensionale materialen, genaamd MXenes, ontdekt door Gogotsi en zijn medewerkers bij Drexel. MXenen zijn carbide- en nitrideplaten van een paar atomen dun die extreme sterkte bezitten. Velen van hen zijn uitstekende metalen geleiders.

Hoewel het bekend is dat het mengen van zelfs een zeer kleine hoeveelheid 2D-materialen, zoals grafeen, in een keramiek kan zijn eigenschappen drastisch veranderen, MXene is nooit gebruikt in keramische composieten. In dit werk, Guo en Benjamin Legum, Gogotsi's promovendus, gemengd 0,5 tot 5,0 procent MXene in een bekend keramisch systeem genaamd zinkoxide. Het metallische MXene bedekte het keramische poeder en vormde continue tweedimensionale korrelgrenzen, die de groei van granen verhinderde, verhoogde de geleidbaarheid met twee ordes van grootte, het transformeren van halfgeleidend zinkoxide in een metallisch keramiek, en verdubbelde hardheid van het eindproduct. De toevoeging van MXene verbeterde ook het vermogen van zinkoxide om warmte om te zetten in elektriciteit.

"Ben kwam hier vrij vaak om met Jing te werken, en na verloop van tijd hebben ze alle problemen overwonnen die betrokken waren bij het dispergeren van de 2-D MXenen in het zinkoxide en het vervolgens sinteren, "zei Randall. "Dit opent een hele nieuwe wereld waarin 2D-materialen in keramiek worden verwerkt."

Gogotsi heeft toegevoegd, "Dit is de eerste keramische composiet die MXene bevat. Rekening houdend met het feit dat er al ongeveer dertig MXenen met uiteenlopende eigenschappen beschikbaar zijn, we openen een nieuw hoofdstuk in onderzoek naar keramische matrixcomposieten, met potentiële toepassingen variërend van elektronica tot batterijen en thermo-elektrische apparaten."

Guo en Legum zijn co-eerste auteurs van het artikel "Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide."