Por mais de uma década, nanomateriais bidimensionais, como o grafeno, foram apontados como a chave para fazer melhores microchips, baterias, antenas e muitos outros dispositivos. Mas um desafio significativo de usar esses materiais de construção da espessura de um átomo para a tecnologia do futuro é garantir que eles possam ser produzidos em grandes quantidades sem perder sua qualidade. Para um dos novos tipos mais promissores de nanomateriais 2-D, MXenes, isso não é mais um problema. Pesquisadores da Universidade Drexel e do Centro de Pesquisa de Materiais na Ucrânia projetaram um sistema que pode ser usado para fazer grandes quantidades do material, preservando suas propriedades únicas.

A equipe relatou recentemente no jornal Materiais de Engenharia Avançada que um sistema de reator em escala de laboratório desenvolvido no Centro de Pesquisa de Materiais em Kiev, pode converter um material precursor de cerâmica em uma pilha de carboneto de titânio MXene preto em pó, em quantidades de até 50 gramas por lote.

Provar que grandes lotes de material podem ser refinados e produzidos com consistência é uma etapa crítica para alcançar a viabilidade de fabricação. Para materiais MXene, que já provaram seu valor em protótipos de dispositivos para armazenar energia, Informática, comunicação e saúde, alcançar os padrões de fabricação é o trecho inicial no caminho para o uso convencional.

"Provar que um material tem certas propriedades é uma coisa, mas provar que pode superar os desafios práticos da fabricação é um obstáculo totalmente diferente - este estudo relata um passo importante nesta direção, "disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering, que foi pioneiro na pesquisa e desenvolvimento do MXene e é o principal autor do artigo. "Isso significa que o MXene pode ser considerado para uso generalizado em dispositivos eletrônicos e de armazenamento de energia."

Os pesquisadores da Drexel têm feito MXene em pequenas quantidades - normalmente um grama ou menos - desde que sintetizaram o material pela primeira vez em 2011. O nanomaterial em camadas, que se parece com um pó em sua forma seca, começa como uma peça de cerâmica chamada fase MAX. Quando uma mistura de ácido fluorídrico e clorídrico interage com a fase MAX, ela remove certas partes do material, criando os flocos finos nanométricos característicos de MXenes.

No laboratório, este processo ocorreria em um recipiente de 60 ml com os ingredientes adicionados e misturados à mão. Para controlar mais cuidadosamente o processo em uma escala maior, o grupo usa uma câmara de reator de um litro e um dispositivo alimentador de parafuso para adicionar com precisão a fase MAX. Uma entrada alimenta os reagentes uniformemente no reator e outra permite o alívio da pressão do gás durante a reação. Uma lâmina de mistura projetada especificamente garante uma mistura completa e uniforme. E uma camisa de resfriamento ao redor do reator permite que a equipe ajuste a temperatura da reação. Todo o processo é informatizado e controlado por um programa de software criado pela equipe do Centro de Pesquisa de Materiais.

O grupo relatou usar o reator com sucesso para fazer pouco menos de 50 gramas de pó de MXene a partir de 50 gramas de material precursor da fase MAX em cerca de dois dias (incluindo o tempo necessário para lavar e secar o produto). E uma bateria de testes conduzidos por alunos do Departamento de Engenharia e Ciência de Materiais da Drexel mostrou que o MXene produzido pelo reator mantém a morfologia, propriedades eletroquímicas e físicas da substância original feita em laboratório.

Este desenvolvimento coloca MXenes em um grupo com apenas um punhado de materiais 2-D que provaram que podem ser produzidos em quantidades de tamanho industrial. Mas porque a fabricação de MXene é um processo de manufatura subtrativo - gravando pedaços de uma matéria-prima, como aplainar madeira - ela se destaca dos processos aditivos usados ​​para fazer muitos outros nanomateriais 2-D.

"A maioria dos materiais 2-D são feitos usando uma abordagem de baixo para cima, "disse Christopher Shuck, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado na A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel. "É aqui que os átomos são adicionados individualmente, um por um. Esses materiais podem ser cultivados em superfícies específicas ou depositando átomos usando equipamentos muito caros. Mas mesmo com essas máquinas caras e catalisadores usados, os lotes de produção são demorados, pequeno e ainda proibitivamente caro para uso generalizado além de pequenos dispositivos eletrônicos. "

MXenes também se beneficia de um conjunto de propriedades físicas que facilitam seu caminho do material processado ao produto final - um obstáculo que tropeçou até mesmo nos materiais avançados amplamente usados ​​atualmente.

"Normalmente leva um bom tempo para desenvolver a tecnologia e o processamento para obter os nanomateriais em uma forma utilizável industrialmente, "Disse Gogotsi." Não é apenas uma questão de produzi-los em grandes quantidades, muitas vezes requer a invenção de máquinas e processos completamente novos para obtê-los em uma forma que possa ser inserida no processo de fabricação - de um microchip ou componente de telefone celular, por exemplo."

Mas para MXenes, a integração na linha de fabricação é uma parte bastante fácil, de acordo com Gogotsi.

"Um grande benefício para os MXenes é que eles podem ser usados ​​como um pó logo após a síntese ou podem ser dispersos em água formando soluções coloidais estáveis, "disse ele." A água é o solvente mais barato e mais seguro. E com o processo que desenvolvemos, podemos carimbar ou imprimir dezenas de milhares de dispositivos pequenos e finos, como supercapacitores ou tags RFID, de material feito em um lote. "

Isso significa que pode ser aplicado em qualquer uma das variedades padrão de sistemas de manufatura aditiva - extrusão, impressão, revestimento por imersão, pulverização - após uma única etapa de processamento.

Várias empresas estão procurando desenvolver as aplicações dos materiais MXene, incluindo Murata Manufacturing Co, Ltd., uma empresa de componentes eletrônicos com sede em Kyoto, Japão, que está desenvolvendo a tecnologia MXene para uso em várias aplicações de alta tecnologia.

"A parte mais empolgante desse processo é que fundamentalmente não há nenhum fator limitante para um aumento de escala industrial, "Gogotsi disse." Há cada vez mais empresas produzindo fases MAX em grandes lotes, e vários deles são feitos com materiais precursores abundantes. E MXenes estão entre os poucos materiais 2-D que podem ser produzidos por síntese química úmida em grande escala usando equipamentos e projetos convencionais de engenharia de reação. "