Pela primeira vez, pesquisadores criaram um nanocompósito de cerâmica e um material bidimensional, abrindo a porta para novos designs de nanocompósitos com aplicações como baterias de estado sólido, termelétricas, varistores, catalisadores, sensores químicos e muito mais.

A sinterização usa alto calor para compactar materiais em pó em uma forma sólida. Amplamente utilizado na indústria, os pós cerâmicos são tipicamente compactados a temperaturas de 1472 graus Fahrenheit ou mais. Muitos materiais de baixa dimensão não podem sobreviver a essas temperaturas.

Mas um processo de sinterização desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Penn State, chamado de processo de sinterização a frio (CSP), pode sinterizar cerâmicas em temperaturas muito mais baixas, menos de 572 graus F, economizando energia e viabilizando uma nova forma de material com alto potencial comercial.

“Temos pessoas da indústria que já estão muito interessadas neste trabalho, "disse Jing Guo, um bolsista de pós-doutorado trabalhando no grupo de Clive Randall, professor de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. “Eles estão interessados ​​em desenvolver algumas novas aplicações de materiais com este sistema e, em geral, usando CSP para sinterizar nanocompósitos. "Guo é o primeiro co-autor do artigo publicado online em Materiais avançados .

A ideia de tentar desenvolver um sistema composto cerâmico-2-D foi o resultado de um workshop da National Science Foundation sobre o futuro da cerâmica, organizado por Lynnette Madsen, que atraiu 50 dos maiores cientistas de cerâmica dos EUA Yury Gogotsi, a Charles T. e Ruth M. Bach Distinguished University Professor e diretor da A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel, na Drexel University, ouviu a apresentação de Randall sobre sinterização a frio e propôs uma colaboração para desenvolver um compósito cerâmico usando uma nova classe de materiais bidimensionais, chamado MXenes, descoberto por Gogotsi e seus colaboradores na Drexel. MXenes são folhas de carboneto e nitreto com alguns átomos finos que possuem extrema resistência. Muitos deles são excelentes condutores metálicos.

Embora seja conhecido que misturar até mesmo uma quantidade muito pequena de materiais 2-D, como grafeno, em uma cerâmica pode mudar dramaticamente suas propriedades, MXene nunca foi usado em compósitos de cerâmica. Nesse trabalho, Guo e Benjamin Legum, Aluno de doutorado de Gogotsi, misturou 0,5 a 5,0 por cento de MXene em um sistema cerâmico bem conhecido chamado óxido de zinco. O MXene metálico revestiu o pó cerâmico e formou contornos de grão bidimensionais contínuos, que impediu o crescimento de grãos, aumentou a condutividade em duas ordens de magnitude, transformar óxido de zinco semicondutor em uma cerâmica metálica, e dureza dobrada do produto final. A adição de MXene também melhorou a capacidade do óxido de zinco de transformar calor em eletricidade.

"Ben vinha aqui com bastante frequência para trabalhar com Jing, e com o tempo eles superaram todos os problemas envolvidos na dispersão dos MXenes 2-D no óxido de zinco e, em seguida, sinterizá-lo, "disse Randall." Isso abre um mundo totalmente novo incorporando materiais 2-D em cerâmica. "

Gogotsi acrescentou, “Este é o primeiro compósito cerâmico contendo MXene. Levando em consideração que já estão disponíveis cerca de trinta MXenes com propriedades diversas, estamos abrindo um novo capítulo na pesquisa de compósitos de matriz cerâmica, com aplicações potenciais que variam de eletrônicos a baterias e termoelétricas. "

Guo e Legum são os co-autores do artigo "Nanocompósitos de cerâmica sinterizada a frio de MXene 2D e óxido de zinco".