Vapaasti seisovia 3D-rakenteita MXeneeistä

Carnegie Mellon Universityn insinöörit ovat kehittäneet läpimurron, joka voisi antaa voimaa seuraavan sukupolven elektroniikalle, sensoreille ja energian varastointilaitteille. He ovat kehittäneet valmistustekniikan, joka järjestää miljoona kertaa paperiarkkia ohuempia MXene-nanolevyjä monimutkaisiksi 3D-rakenteiksi vain yhdessä tulostusvaiheessa.

"Tämän 2D-nanomateriaalin 3D-järjestely voi auttaa meitä saavuttamaan miniatyrisoitujen elektronisten laitteiden, kuten mikrosuperkondensaattoreiden ja akkujen, suorituskykyvaatimukset", sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Rahul Panat.

MXeenien erinomainen mekaaninen kestävyys ja ylivoimainen sähkökemiallinen stabiilius ovat kiehtoneet tutkijoita yli vuosikymmenen ajan. Niiden vaikuttavat ominaisuudet eivät kuitenkaan yksinään riitä luomaan tehokkaita laitteita. Materiaalin arkkitehtuurilla on ratkaiseva rooli, sillä se säätelee ionien ja elektronien liikkumisen tehokkuutta elektrodin läpi. Ilman huolellisesti suunniteltua rakennetta jopa edistyneimmät MXeenit voivat törmätä pullonkauloihin ja esteisiin.

Aiemmassa työssä konetekniikan professori Panat osoitti kyvyn järjestää 2D-MXeneä 3D-rakenteiksi keraamisen selkärangan tuella.

Nyt Panatin ryhmä on kehittänyt tekniikkaa luomalla itsenäisiä 3D-rakenteita.

Muuntamalla MXene-nanolevyt täysin lisäaineettomaksi musteeksi, tiimi pystyi tulostamaan monimutkaisia malleja aerosolisuihkutulostuksella (AJP).

Musteen muodostamiseksi tutkijat hyödyntävät 2D MXene -nanolevyjä sisältävien mikronien kokoisten aerosolipisaroiden luonnollista haihtumista. Mustetta ohjataan sitten tarkasti aerodynaamisen ohjauksen avulla. Hyödyntämällä nanolevyjen välisiä toissijaisia vuorovaikutuksia tutkijat voivat ohjata monimutkaisten 3D-rakenteiden kokoamista.

Tämän tekniikan käytännön vaikutusten osoittamiseksi Panatin laboratorio valmisti erittäin tehokkaan 3D-mikrosuperkondensaattorin. Se tuotti ennätyksellisen 375 mF cm⁻²:n pinta-alan kapasitanssin ja 11,04 µWh cm⁻²:n pinta-alan energiatiheyden, mikä ylittää huomattavasti muilla korkean resoluution menetelmillä valmistettujen mikrosuperkondensaattoreiden arvon.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun lisäaineettomista 2D-nanomateriaaleista on koottu irrallisia 3D-rakenteita ilman tukirakenteita tai jälkikäsittelyä", Panat sanoi. "Näiden aiemmin saavuttamattomien rakenteiden valmistaminen on jännittävää, koska niistä voi olla hyötyä kaikessa pienoiskokoisista puettavista laitteista mikrorobotteihin ja akkuihin."

Aiheesta aiemmin:

Monikäyttöinen kaksiulotteinen

Absorboivaa EMI-suojausta

Kondensaattoreita tulostamalla