Pour la première fois, des chercheurs ont créé un nanocomposite de céramique et un matériau bidimensionnel, ouvrir la porte à de nouvelles conceptions de nanocomposites avec des applications telles que les batteries à l'état solide, thermoélectrique, varistances, catalyseurs, capteurs chimiques et bien plus encore.

Le frittage utilise une chaleur élevée pour compacter les matériaux en poudre en une forme solide. Largement utilisé dans l'industrie, les poudres céramiques sont généralement compactées à des températures de 1472 degrés Fahrenheit ou plus. De nombreux matériaux de faible dimension ne peuvent pas survivre à ces températures.

Mais un procédé de frittage développé par une équipe de chercheurs de Penn State, appelé procédé de frittage à froid (CSP), peut fritter la céramique à des températures beaucoup plus basses, moins de 572 degrés F, économiser de l'énergie et permettre une nouvelle forme de matériau à fort potentiel commercial.

"Nous avons des gens de l'industrie qui sont déjà très intéressés par ce travail, " dit Jing Guo, un chercheur post-doctoral travaillant dans le groupe de Clive Randall, professeur de science et génie des matériaux, État de Penn. "Ils sont intéressés par le développement de nouvelles applications matérielles avec ce système et, en général, utilisant CSP pour fritter des nanocomposites. » Guo est le premier co-auteur de l'article publié en ligne dans Matériaux avancés .

L'idée d'essayer de développer un système composite céramique-2-D est le résultat d'un atelier de la National Science Foundation sur l'avenir de la céramique, organisé par Lynnette Madsen, qui a attiré 50 des meilleurs scientifiques de la céramique aux États-Unis Yury Gogotsi, a Charles T. et Ruth M. Bach professeur d'université distingué et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux, à l'Université Drexel, entendu la présentation de Randall sur le frittage à froid et proposé une collaboration pour développer un composite céramique utilisant une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels, appelé MXenes, découvert par Gogotsi et ses collaborateurs chez Drexel. Les MXènes sont des feuilles de carbure et de nitrure minces de quelques atomes qui possèdent une résistance extrême. Beaucoup d'entre eux sont d'excellents conducteurs métalliques.

Bien qu'il soit connu que le mélange même d'une très petite quantité de matériaux 2D, comme le graphène, dans une céramique peut changer radicalement ses propriétés, MXene n'a jamais été utilisé dans les composites céramiques. Dans ce travail, Guo et Benjamin Legum, le doctorant de Gogotsi, mélangé 0,5 à 5,0 pour cent de MXène dans un système céramique bien connu appelé oxyde de zinc. Le MXene métallique a revêtu la poudre céramique et formé des joints de grains bidimensionnels continus, qui empêchait la croissance des grains, augmenté la conductivité de deux ordres de grandeur, transformer l'oxyde de zinc semi-conducteur en une céramique métallique, et une dureté doublée du produit final. L'ajout de MXene a également amélioré la capacité de l'oxyde de zinc à transformer la chaleur en électricité.

"Ben est venu ici assez souvent pour travailler avec Jing, et au fil du temps, ils ont surmonté tous les problèmes liés à la dispersion des MXènes 2-D dans l'oxyde de zinc, puis à son frittage, " a déclaré Randall. "Cela ouvre un tout nouveau monde incorporant des matériaux 2D dans la céramique."

Gogotsi a ajouté, « Il s'agit du premier composite céramique contenant du MXene. Compte tenu du fait qu'une trentaine de MXene aux propriétés diverses sont déjà disponibles, nous ouvrons un nouveau chapitre de la recherche sur les composites à matrice céramique, avec des applications potentielles allant de l'électronique aux batteries et à la thermoélectricité."

Guo et Legum sont co-premiers auteurs de l'article "Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide".