Het maken van een papieren vliegtuigje op school betekende vroeger problemen. Vandaag signaleert het een veelbelovende ontdekking in materiaalwetenschappelijk onderzoek die de volgende generatie technologie - zoals draagbare apparaten voor energieopslag - van de grond kan helpen. Onderzoekers van de Drexel University en de Dalian University of Technology in China hebben een nieuwe, elektrisch geleidend nanomateriaal dat flexibel genoeg is om te vouwen, maar sterk genoeg om vele malen zijn eigen gewicht te dragen. Ze geloven dat het kan worden gebruikt om de opslag van elektrische energie te verbeteren, waterfiltratie en radiofrequente afscherming in technologie van draagbare elektronica tot coaxkabels.

Het vinden of maken van een dun materiaal dat nuttig is voor het vasthouden en afgeven van een elektrische lading en dat in verschillende vormen kan worden verwrongen, is een zeldzaamheid op het gebied van materiaalkunde. Treksterkte -de sterkte van het materiaal wanneer het wordt uitgerekt- en druksterkte -het vermogen om gewicht te dragen- zijn waardevolle eigenschappen voor deze materialen omdat, slechts enkele atomen dik, hun nut cijfers bijna volledig op hun fysieke veelzijdigheid.

"Neem de elektrode van de kleine lithium-ionbatterij die je horloge van stroom voorziet, bijvoorbeeld, idealiter zou het geleidende materiaal in die elektrode erg klein zijn - zodat je geen omvangrijk horloge om je pols hebt vastgebonden - en genoeg energie vasthouden om je horloge voor een lange periode te laten lopen, zei Michel Barsoum, doctoraat, Distinguished Professor in het College of Engineering. "Maar wat als we de polsband van het horloge in de batterij wilden maken? Dan zouden we nog steeds een geleidend materiaal willen gebruiken dat erg dun is en energie kan opslaan, maar het moet ook flexibel genoeg zijn om om je pols te buigen. Zoals je kunt zien, gewoon door één fysieke eigenschap van het materiaal te veranderen - flexibiliteit of treksterkte - openen we een nieuwe wereld van mogelijkheden."

Dit flexibele nieuwe materiaal, die de groep heeft geïdentificeerd als een geleidend polymeer nanocomposiet, is de nieuwste uitdrukking van het lopende onderzoek in Drexel's Department of Materials Science and Engineering naar een familie van tweedimensionale composietmaterialen genaamd MXenes.

Deze ontwikkeling werd mogelijk gemaakt door samenwerking tussen onderzoeksgroepen van Yury Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Trustee Chair professor aan het College of Engineering in Drexel, en Jieshan Qiu, vice-decaan voor onderzoek van de School of Chemical Engineering aan de Dalian University of Technology in China. Zheng Ling, een doctoraatsstudent uit Dalian, een jaar bij Drexel, leidend bij het onderzoek dat leidde tot de eerste MXene-polymeercomposieten. Het onderzoek bij Drexel werd gefinancierd door subsidies van de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.

Het Drexel-team heeft MXenes ijverig onderzocht als een paleontoloog die zorgvuldig sediment wegpoetst om een ​​wetenschappelijke schat op te graven. Sinds de uitvinding van het gelaagde carbidemateriaal in 2011 vinden de ingenieurs manieren om te profiteren van de chemische en fysische samenstelling om geleidende materialen te creëren met een verscheidenheid aan andere nuttige eigenschappen.

Een van de meest succesvolle manieren die ze hebben ontwikkeld om MXenes te helpen hun scala aan vaardigheden te uiten, is een proces, intercalatie genoemd, waarbij verschillende chemische verbindingen in vloeibare vorm worden toegevoegd. Hierdoor kunnen de moleculen zich nestelen tussen de lagen van de MXene en, daarbij, de fysische en chemische eigenschappen ervan veranderen. Sommige van de eerste, en meest indrukwekkende van hun bevindingen, toonde aan dat MXenen een groot potentieel hebben voor energieopslag.

Om het flexibele geleidende polymeer nanocomposiet te produceren, de onderzoekers intercaleerden het titaniumcarbide MXene, met polyvinylalcohol (PVA) - een polymeer dat veel wordt gebruikt als papierlijm, bekend als school- of Elmer's lijm, en vaak te vinden in de recepten voor colloïden zoals haargel en domme stopverf. Ze werden ook geïntercaleerd met een polymeer genaamd PDDA (polydiallyldimethylammoniumchloride) dat gewoonlijk wordt gebruikt als coagulant in waterzuiveringssystemen.

"Het unieke van MXenes komt van het feit dat hun oppervlak vol functionele groepen is, zoals hydroxyl, wat leidt tot een hechte binding tussen de MXene-vlokken en polymeermoleculen, terwijl de metallische geleidbaarheid van nanometerdunne carbidelagen behouden blijft. Dit leidt tot een nanocomposiet met een unieke combinatie van eigenschappen, ' zei Gogotsi.

De resultaten van beide sets MXene-tests zijn onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . In de krant, de onderzoekers melden dat het materiaal een groter vermogen vertoont om lading op te slaan dan de originele MXene; en 300-400 procent verbetering in kracht.

"We hebben aangetoond dat de volumetrische capaciteit van een MXene-polymeer nanocomposiet veel hoger kan zijn in vergelijking met conventionele op koolstof gebaseerde elektroden of zelfs grafeen, " zei Chang Ren, Gogotsi's promovendus bij Drexel. "Bij het mengen van MXene met PVA dat wat elektrolytzout bevat, het polymeer speelt de rol van elektrolyt, maar het verbetert ook de capaciteit omdat het de tussenlaagruimte tussen MXene-vlokken enigszins vergroot, ionen diep in de elektrode laten doordringen; ionen blijven ook gevangen in de buurt van de MXene-vlokken door het polymeer. Met deze geleidende elektroden en geen vloeibare elektrolyt, we kunnen uiteindelijk metalen stroomafnemers elimineren en lichtere en dunnere supercondensatoren maken."

De testen onthulden ook hydrofiele eigenschappen van het nanocomposiet, wat betekent dat het kan worden gebruikt in waterbehandelingssystemen, zoals membraan voor waterzuivering of ontzilting, omdat het stabiel blijft in water zonder te breken of op te lossen.

In aanvulling, omdat het materiaal extreem flexibel is, het kan in een buis worden gerold, die vroege tests hebben uitgewezen, dient alleen om de mechanische sterkte te vergroten. Deze kenmerken markeren de sporen van verschillende paden voor onderzoek naar dit nanocomposietmateriaal voor toepassingen van flexibele bepantsering tot ruimtevaartcomponenten. De volgende stap voor de groep zal zijn om te onderzoeken hoe verschillende verhoudingen van MXene en polymeer de eigenschappen van het resulterende nanocomposiet zullen beïnvloeden en ook om andere MXenen en sterkere en taaiere polymeren voor structurele toepassingen te onderzoeken.