Pesquisadores alcançam síntese de baixa energia de materiais van der Waals a granel
(a) Mecanismo de fabricação de materiais vdW em temperatura próxima à ambiente e (b-d) suas aplicações. Crédito:SIAT Os pesquisadores sintetizaram materiais van der Waals (vdW) a granel em temperatura próxima à ambiente (variando da temperatura ambiente a 60°C), reduzindo significativamente o consumo de energia necessário para sua fabricação em pelo menos uma ordem de grandeza.
Os materiais vdW a granel são um foco importante de pesquisa porque são mantidos juntos por forças vdW fracas em vez de fortes ligações covalentes ou metálicas. O estudo foi publicado na Nature Materials .
Anteriormente, materiais vdW a granel, como grafite e nitreto de boro hexagonal, só podiam ser sintetizados em temperaturas muito altas (>1.000°C). Neste estudo, em vez de sinterizar diretamente partículas de grafite ou nitreto de boro em temperaturas tão altas, as partículas foram esfoliadas em nanofolhas bidimensionais (2D) com baixíssimo consumo de energia. Posteriormente, um processo de moldagem a 45°C (ou mesmo à temperatura ambiente) foi empregado para transformar essas nanofolhas em materiais vdW mecanicamente robustos.
O método se aplica a uma ampla gama de materiais 2D, incluindo MXene e dichalcogenetos de metais de transição. Sua baixa temperatura de fabricação também permite impressão de superfície e modelagem in-situ, o que é um desafio na sinterização em alta temperatura devido ao encolhimento e expansão induzidos termicamente. Além disso, os materiais vdW sem aditivos facilitam aplicações em altas temperaturas onde os compósitos poliméricos baseados em materiais 2D falham.
Este resultado decorre principalmente da interação vdW, proporcionando aos materiais a granel fabricados alta resistência mecânica. A ativação da interação vdW não requer altas temperaturas, mas sim contato nanométrico ou subnanômetro entre nanofolhas adjacentes. A espessura e flexibilidade das nanofolhas 2D tornam-nas facilmente móveis e deformáveis, facilitando a formação de contato íntimo.
Além disso, os pesquisadores descobriram que a água adsorvida nas nanofolhas é um poderoso “auxiliar de sinterização” que lubrifica as nanofolhas para proporcionar um bom alinhamento. A água confinada é então dessorvida das nanofolhas e escapa do material devido ao efeito de nano-confinamento, que fecha o capilar, ativando assim a interação vdW e resultando em um material vdW a granel forte e densificado.
"Este processo simplifica a fabricação e reduz o alto consumo de energia associado à produção de materiais vdW em massa, oferecendo escalabilidade, e também pode introduzir abordagens inovadoras para o design de materiais vdW, como a hibridização de vários materiais 2D, particularmente aqueles instáveis em altas temperaturas de processamento", disse Prof. Su Yang, pesquisadora da Escola Internacional de Pós-Graduação de Shenzhen da Universidade Tsinghua (SIAT) e autora correspondente do artigo.
“Este estudo sugere a revolução nos métodos tradicionais de processamento de materiais através da utilização de nanomateriais”, disse o Prof. Cheng Huiming do SIAT.
A equipe inclui pesquisadores do SIAT da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Escola Internacional de Pós-Graduação de Shenzhen da Universidade Tsinghua, do Instituto de Pesquisa de Metais do CAS e da Universidade de Ciência e Tecnologia da China do CAS.
