Atominohuiden materiaalien sintraus

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat luoneet keramiikan ja kaksiulotteisen materiaalin nanokomposiittia. Se avaisi ovia uusille nanokomposiittien suunnitelmille sellaisiin sovelluksiin kuten esimerkiksi kiinteät akut, lämpösähkö, varistorit, katalysaattorit, kemialliset anturit ja paljon muuta.

Sintrauksessa käytetään tyypillisesti 800 Celsius-asteen lämpötilaa muuttamaan jauhemaisia aineita kiinteään muotoon. Erilaiset pienimuotoiset materiaalit eivät kestä tällaisia lämpötiloja.

Penn Staessa toimivan tutkijaryhmän kehittämä sintrausprosessi, jota kutsutaan kylmäsintrausprosessiksi (CSP), toimii huomattavasti alemmissa lämpötiloissa, alle 300 astetta Celsiusta. Näin se säästää energiaa ja mahdollistaa uudenlaisen materiaalit, joilla on suuri kaupallinen potentiaali.

Ajatus keraamisesta 2D-komposiittisysteemistä kehittyi yhteistyönä Drexel-yliopiston kanssa, joka on aikoinaan kehittänyt kaksiulotteisen materiaalin luokan nimeltä MXenes. Ne ovat muutaman atomin ohuita mutta erittäin vahvoja karbidi- ja nitridilevyjä. Monet niistä ovat myös erinomaisia ​​metallisia johtimia.

Vaikka on tiedetty, että hyvin pienen määrän 2D-materiaaleja, kuten grafeenia, sekoittaminen keraamiin voi muuttaa voimakkaasti ominaisuuksiaan, MXenea ei ole koskaan käytetty keraamisissa komposiiteissa.

Tässä työssä tutkijat sekoittivat 0,5 - 4,0 prosenttia MXenea tunnettuun keraamiseen järjestelmään, jota kutsutaan sinkkioksidiksi.

Metallinen MXene päällystettiin keraamisella jauheella ja näin muodostui jatkuvia kaksiulotteisien rakeiden rajoja, jotka estivät rakeiden kasvua, lisäsivät johtavuutta kahdella suuruusluokalla, muuttivat puolijohtavaa sinkkioksidia metallikeraamiksi ja kaksinkertaisti lopputuotteen kovuuden. MXenen lisäys parantaa myös sinkkioksidin kykyä muuntaa lämpöä sähköksi.

Kyseessä on ensimmäinen keraaminen komposiitti, joka sisältää MXenea. Kun otetaan huomioon, että jo noin kolmekymmentä MXenesiä on saatavana, avaamme uuden luvun keraamisia matriisikomposiitteja koskevan tutkimuksen, jossa mahdolliset sovellukset vaihtelevat elektroniikasta akkuihin ja termoelektroniikkaan," iloitsevat tutkijat aiheestaan.