Al meer dan een decennium, tweedimensionale nanomaterialen, zoals grafeen, zijn aangeprezen als de sleutel tot het maken van betere microchips, batterijen, antennes en vele andere apparaten. Maar een belangrijke uitdaging om deze atoomdunne bouwmaterialen te gebruiken voor de technologie van de toekomst, is ervoor te zorgen dat ze in grote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd zonder hun kwaliteit te verliezen. Voor een van de meest veelbelovende nieuwe soorten 2D-nanomaterialen, MXenen, dat is geen probleem meer. Onderzoekers van de Drexel University en het Materials Research Centre in Oekraïne hebben een systeem ontworpen waarmee grote hoeveelheden van het materiaal kunnen worden gemaakt met behoud van de unieke eigenschappen.

Het team rapporteerde onlangs in het tijdschrift Geavanceerde technische materialen dat een reactorsysteem op laboratoriumschaal is ontwikkeld in het Materials Research Centre in Kiev, kan een keramisch voorlopermateriaal omzetten in een stapel van het poederachtige zwarte MXene titaniumcarbide, in hoeveelheden zo groot als 50 gram per batch.

Bewijzen dat grote partijen materiaal kunnen worden verfijnd en met consistentie kunnen worden geproduceerd, is een cruciale stap in de richting van levensvatbaarheid voor productie. Voor MXene-materialen, die hun moed al hebben bewezen in prototype-apparaten voor het opslaan van energie, computergebruik, communicatie en gezondheidszorg, het bereiken van productienormen is de eerste stap op weg naar algemeen gebruik.

"Bewijzen dat een materiaal bepaalde eigenschappen heeft is één ding, maar bewijzen dat het de praktische uitdagingen van productie kan overwinnen, is een heel andere hindernis - deze studie rapporteert over een belangrijke stap in deze richting, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, die een pionier is geweest in het onderzoek en de ontwikkeling van MXene en een hoofdauteur van het artikel is. "Dit betekent dat MXene kan worden overwogen voor wijdverbreid gebruik in elektronica en energieopslagapparaten."

Onderzoekers van Drexel maken MXene in kleine hoeveelheden - meestal één gram of minder - sinds ze het materiaal in 2011 voor het eerst synthetiseerden. Het gelaagde nanomateriaal, die eruitziet als een poeder in zijn droge vorm, begint als een stuk keramiek dat een MAX-fase wordt genoemd. Wanneer een mengsel van fluorwaterstofzuur en zoutzuur interageert met de MAX-fase, etst het bepaalde delen van het materiaal weg, het creëren van de nanometerdunne vlokken die kenmerkend zijn voor MXenes.

In het labortorium, dit proces zou plaatsvinden in een container van 60 ml met de ingrediënten toegevoegd en met de hand gemengd. Om het proces op grotere schaal zorgvuldiger te beheersen, de groep gebruikt een reactorkamer van één liter en een schroeftoevoerapparaat om de MAX-fase precies toe te voegen. Eén inlaat voert de reactanten uniform in de reactor en een andere zorgt voor een gasdrukontlasting tijdens de reactie. Een speciaal ontworpen mengblad zorgt voor een grondige en uniforme menging. En met een koelmantel rond de reactor kan het team de temperatuur van de reactie aanpassen. Het hele proces is geautomatiseerd en gecontroleerd door een softwareprogramma gemaakt door het Materials Research Center-team.

De groep rapporteerde met succes de reactor te hebben gebruikt om iets minder dan 50 gram MXene-poeder te maken van 50 gram MAX-faseprecursormateriaal in ongeveer twee dagen (inclusief de tijd die nodig is voor het wassen en drogen van het product). En een reeks tests uitgevoerd door studenten van Drexel's Materials Science and Engineering-afdeling toonde aan dat het door de reactor geproduceerde MXene de morfologie behoudt, elektrochemische en fysische eigenschappen van de originele, in het laboratorium gemaakte substantie.

Deze ontwikkeling plaatst MXenes in een groep met slechts een handvol 2D-materialen die hebben bewezen dat ze in industriële hoeveelheden kunnen worden geproduceerd. Maar omdat het maken van MXene een subtractief productieproces is - stukjes van een grondstof wegetsen, zoals het schaven van hout - het onderscheidt zich van de additieve processen die worden gebruikt om veel andere 2D-nanomaterialen te maken.

"De meeste 2D-materialen worden gemaakt met behulp van een bottom-up benadering, " zei Christopher Shuck, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in het A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut. "Hier worden de atomen afzonderlijk toegevoegd, een voor een. Deze materialen kunnen worden gekweekt op specifieke oppervlakken of door atomen af ​​​​te zetten met behulp van zeer dure apparatuur. Maar zelfs met deze dure machines en katalysatoren, de productiebatches zijn tijdrovend, klein en nog steeds onbetaalbaar voor wijdverbreid gebruik buiten kleine elektronische apparaten."

MXenen profiteren ook van een reeks fysieke eigenschappen die hun weg van verwerkt materiaal naar eindproduct vergemakkelijken - een hindernis die zelfs de veelgebruikte geavanceerde materialen van vandaag is overwonnen.

"Het duurt meestal vrij lang om de technologie en verwerking uit te bouwen om nanomaterialen in een industrieel bruikbare vorm te krijgen, "Zei Gogotsi. "Het is niet alleen een kwestie van ze in grote hoeveelheden te produceren, het vereist vaak het uitvinden van volledig nieuwe machines en processen om ze in een vorm te krijgen die in het fabricageproces kan worden ingevoegd - van een microchip of mobiele telefooncomponent, bijvoorbeeld."

Maar voor MXenen, integreren in de productielijn is een vrij eenvoudig onderdeel, volgens Gogotsi.

"Een enorm voordeel voor MXenes is dat ze direct na synthese als poeder kunnen worden gebruikt of dat ze kunnen worden gedispergeerd in water om stabiele colloïdale oplossingen te vormen, " zei hij. "Water is het minst dure en het veiligste oplosmiddel. En met het proces dat we hebben ontwikkeld, we kunnen tienduizenden kleine en dunne apparaten stempelen of printen, zoals supercondensatoren of RFID-tags, van materiaal gemaakt in één batch."

Dit betekent dat het kan worden toegepast in elk van de standaardvarianten van additive manufacturing-systemen:extrusie, afdrukken, onderdompeling coating, spuiten - na een enkele verwerkingsstap.

Verschillende bedrijven zijn op zoek naar de ontwikkeling van de toepassingen van MXene-materialen, inclusief Murata Manufacturing Co, Ltd., een bedrijf voor elektronische componenten, gevestigd in Kyoto, Japan, die MXene-technologie ontwikkelt voor gebruik in verschillende hightech-toepassingen.

"Het meest opwindende aan dit proces is dat er in principe geen beperkende factor is voor een industriële opschaling, " Gogotsi zei. "Er zijn steeds meer bedrijven die MAX-fasen in grote batches produceren, en een aantal daarvan zijn gemaakt met behulp van overvloedige voorlopermaterialen. En MXenen behoren tot de zeer weinige 2D-materialen die op grote schaal kunnen worden geproduceerd door middel van natte chemische synthese met behulp van conventionele apparatuur en ontwerpen voor reactietechniek."