Fazer um avião de papel na escola costumava significar problemas. Hoje, ele sinaliza uma descoberta promissora na pesquisa da ciência dos materiais que pode ajudar a tecnologia de próxima geração - como dispositivos de armazenamento de energia vestíveis - a decolar. Pesquisadores da Drexel University e da Dalian University of Technology, na China, desenvolveram quimicamente um novo, nanomaterial eletricamente condutor que é flexível o suficiente para se dobrar, mas forte o suficiente para suportar muitas vezes seu próprio peso. Eles acreditam que pode ser usado para melhorar o armazenamento de energia elétrica, filtragem de água e blindagem por radiofrequência em tecnologia de eletrônicos portáteis a cabos coaxiais.

Encontrar ou fazer um material fino que seja útil para manter e distribuir uma carga elétrica e pode ser contorcido em uma variedade de formas, é uma raridade no campo da ciência dos materiais. A resistência à tração - a resistência do material quando ele é esticado - e a resistência à compressão - sua capacidade de suportar o peso - são características valiosas para esses materiais porque, com apenas alguns átomos de espessura, sua utilidade depende quase inteiramente de sua versatilidade física.

"Pegue o eletrodo da pequena bateria de íon de lítio que alimenta seu relógio, por exemplo, idealmente, o material condutor nesse eletrodo seria muito pequeno - então você não tem um relógio volumoso preso ao pulso - e manteria energia suficiente para operar o relógio por um longo período de tempo, "disse Michel Barsoum, PhD, Professor Ilustre da Faculdade de Engenharia. "Mas e se quiséssemos transformar a pulseira do relógio na bateria? Mesmo assim, gostaríamos de usar um material condutor que é muito fino e pode armazenar energia, mas também precisa ser flexível o suficiente para se dobrar em torno do pulso. Como você pode ver, apenas mudando uma propriedade física do material - flexibilidade ou resistência à tração - abrimos um novo mundo de possibilidades. "

Este novo material flexível, que o grupo identificou como um nanocompósito de polímero condutor, é a mais recente expressão da pesquisa em andamento no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel em uma família de materiais compostos bidimensionais chamados MXenes.

Este desenvolvimento foi facilitado pela colaboração entre grupos de pesquisa de Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Trustee Chair professor da Faculdade de Engenharia de Drexel, e Jieshan Qiu, vice-reitor de pesquisa da Escola de Engenharia Química da Universidade de Tecnologia de Dalian na China. Zheng Ling, um estudante de doutorado de Dalian, passou um ano na Drexel, liderando a pesquisa que levou aos primeiros compostos de polímero MXene. A pesquisa Drexel foi financiada por doações da National Science Foundation e do Departamento de Energia dos EUA.

A equipe da Drexel tem examinado diligentemente MXenes como um paleontólogo cuidadosamente removendo sedimentos para desenterrar um tesouro científico. Desde a invenção do material de carboneto em camadas em 2011, os engenheiros estão encontrando maneiras de tirar proveito de sua composição química e física para criar materiais condutores com uma variedade de outras propriedades úteis.

Uma das maneiras mais bem-sucedidas que desenvolveram para ajudar MXenes a expressar sua gama de habilidades é um processo, chamado intercalação, que envolve a adição de vários compostos químicos em uma forma líquida. Isso permite que as moléculas se acomodem entre as camadas do MXene e, ao fazer isso, alterar suas propriedades físicas e químicas. Alguns dos primeiros, e o mais impressionante de suas descobertas, mostrou que MXenes tem um grande potencial para armazenamento de energia.

Para produzir o nanocompósito de polímero condutor flexível, os pesquisadores intercalaram o carboneto de titânio MXene, com álcool polivinílico (PVA) - um polímero amplamente utilizado como adesivo de papel conhecido como cola escolar ou de Elmer, e frequentemente encontrados nas receitas de coloides, como gel de cabelo e massa de vidraceiro. Eles também se intercalam com um polímero chamado PDDA (cloreto de polidialildimetilamônio) comumente usado como coagulante em sistemas de purificação de água.

"A singularidade dos MXenes vem do fato de que sua superfície está cheia de grupos funcionais, como hidroxil, levando a uma forte ligação entre os flocos de MXene e as moléculas de polímero, ao mesmo tempo que preserva a condutividade metálica de camadas de carboneto de espessura nanométrica. Isso leva a um nanocompósito com uma combinação única de propriedades, "disse Gogotsi.

Os resultados de ambos os conjuntos de testes MXene foram publicados recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences . No papel, os pesquisadores relatam que o material exibe maior capacidade de armazenar carga em relação ao MXene original; e melhoria de 300-400% na força.

"Mostramos que a capacitância volumétrica de um nanocompósito de polímero MXene pode ser muito maior em comparação com eletrodos convencionais à base de carbono ou mesmo grafeno, "disse Chang Ren, Aluno de doutorado de Gogotsi na Drexel. "Ao misturar MXene com PVA contendo algum sal de eletrólito, o polímero desempenha o papel de eletrólito, mas também melhora a capacitância porque aumenta ligeiramente o espaço entre camadas entre os flocos de MXene, permitindo que os íons penetrem profundamente no eletrodo; os íons também ficam presos perto dos flocos de MXene pelo polímero. Com esses eletrodos condutores e sem eletrólito líquido, podemos, eventualmente, eliminar os coletores de corrente de metal e fazer supercapacitores mais leves e finos. "

O teste também revelou propriedades hidrofílicas do nanocompósito, o que significa que poderia ter usos em sistemas de tratamento de água, como membrana para purificação ou dessalinização de água, porque permanece estável na água sem quebrar ou se dissolver.

Além disso, porque o material é extremamente flexível, pode ser enrolado em um tubo, o que os primeiros testes indicaram serve apenas para aumentar sua resistência mecânica. Essas características marcam o início de uma variedade de caminhos para a pesquisa neste material nanocompósito para aplicações de armadura flexível a componentes aeroespaciais. A próxima etapa do grupo será examinar como as taxas variáveis ​​de MXene e polímero afetarão as propriedades do nanocompósito resultante e também explorar outros MXenes e polímeros mais fortes e mais resistentes para aplicações estruturais.