Crédito:Universidade Carnegie Mellon
Apesar de ter apenas alguns átomos de espessura, o MXene tem um impacto poderoso. Esta classe de nanomateriais bidimensionais (2D) de camada única exibe propriedades desejáveis como excelente condutividade térmica e elétrica, resistência ao calor e alta área de superfície específica. Essas características prometem revolucionar os dispositivos eletrônicos de alto desempenho e os sistemas de armazenamento de energia.
Para otimizar as propriedades do MXene, os pesquisadores precisam ser capazes de organizar flocos 2D dele em configurações tridimensionais (3D). Essas arquiteturas 3D do MXene podem aumentar a densidade de armazenamento de energia de baterias de íons de lítio e supercapacitores, além de fornecer melhorias de desempenho para dispositivos existentes.
Infelizmente, há uma falta de métodos de fabricação confiáveis disponíveis hoje para construir o MXene em configurações 3D:Rahul Panat, professor associado de engenharia mecânica e diretor associado do Manufacturing Futures Institute da Carnegie Mellon University, procura mudar isso.
O processo de fabricação incorporará a impressão 3D Aerosol Jet, uma tecnologia de manufatura aditiva em nanoescala. Usando os princípios da dinâmica de gotículas, o MXene será disperso em líquido e depositado, camada por camada, em pilhas de estruturas 3D para formar sensores eletroquímicos e físicos.
Crédito:Universidade Carnegie Mellon
"Essas arquiteturas tridimensionais são úteis porque têm o potencial de 'reunir' materiais em nanoescala suficientes para uso prático em dispositivos eletrônicos", explicou Panat.
"Se eu criar um eletrodo fora das arquiteturas tridimensionais, posso aumentar drasticamente seu desempenho porque as reações químicas e/ou bioquímicas teriam uma área de superfície e volume 3D maiores para operação."
A equipe de pesquisa testará e avaliará o desempenho desses dispositivos com base em sua sensibilidade, reprodutibilidade e repetibilidade das medições.
Crédito:Universidade Carnegie Mellon
Outro aspecto do projeto prevê a próxima geração da força de trabalho americana. Para preparar um grupo de trabalhadores qualificados em tecnologias de micro e nanoeletrônica de ponta, a equipe de Panat está recrutando cadetes militares dos EUA que cursam graduação na Carnegie Mellon University, na Duquesne University e na University of Pittsburgh. Formandos adicionais incluem um Ph.D. estudante e pós-doutorando do laboratório de pesquisa da Panat.
Os estagiários aprenderão impressão 3D e outros métodos avançados de fabricação, além de técnicas de caracterização de materiais, como microscopia eletrônica, difração de raios X e análise de dados estatísticos.
Uma vez treinados na gama de técnicas de impressão 3D, os cadetes da Força Aérea, do Exército e da Marinha dos EUA poderão reparar componentes mecânicos e circuitos eletrônicos diretamente no campo. Isso reduzirá a dependência de terceirização e cadeias de suprimentos que são suscetíveis a graves interrupções por eventos globais.
Embora a pesquisa seja de natureza fundamental, a Panat prevê que começará a impactar a indústria em cinco a sete anos. À medida que a tecnologia for desenvolvida, novos dispositivos eletrônicos de alto desempenho surgirão.
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