Depuis plus d'une décennie, nanomatériaux bidimensionnels, comme le graphène, ont été présentés comme la clé pour fabriquer de meilleures puces électroniques, piles, antennes et de nombreux autres appareils. Mais un défi important de l'utilisation de ces matériaux de construction ultra-fins pour la technologie du futur est de s'assurer qu'ils peuvent être produits en grandes quantités sans perdre leur qualité. Pour l'un des nouveaux types de nanomatériaux 2D les plus prometteurs, MXenes, ce n'est plus un problème. Des chercheurs de l'Université Drexel et du Centre de recherche sur les matériaux en Ukraine ont conçu un système qui peut être utilisé pour fabriquer de grandes quantités de matériau tout en préservant ses propriétés uniques.

L'équipe a récemment rapporté dans le journal Matériaux d'ingénierie avancés qu'un système de réacteur à l'échelle du laboratoire développé au Centre de recherche sur les matériaux à Kiev, peut convertir un matériau précurseur de céramique en un tas de carbure de titane MXene noir en poudre, en quantités allant jusqu'à 50 grammes par lot.

Prouver que de grands lots de matériaux peuvent être raffinés et produits avec cohérence est une étape critique vers la viabilité de la fabrication. Pour les matériaux MXene, qui ont déjà fait leurs preuves dans des prototypes de dispositifs de stockage d'énergie, l'informatique, communication et soins de santé, atteindre les normes de fabrication est la dernière ligne droite sur la voie de l'utilisation généralisée.

"Prouver qu'un matériau a certaines propriétés est une chose, mais prouver qu'il peut surmonter les défis pratiques de la fabrication est un obstacle entièrement différent - cette étude fait état d'un pas important dans cette direction, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distingué Université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, qui a été le pionnier de la recherche et du développement de MXene et est l'un des principaux auteurs de l'article. "Cela signifie que MXene peut être envisagé pour une utilisation généralisée dans l'électronique et les dispositifs de stockage d'énergie."

Les chercheurs de Drexel fabriquent du MXene en petites quantités (généralement un gramme ou moins) depuis qu'ils ont synthétisé le matériau pour la première fois en 2011. Le nanomatériau en couches, qui ressemble à une poudre sous sa forme sèche, commence comme un morceau de céramique appelé phase MAX. Lorsqu'un mélange d'acide fluorhydrique et d'acide chlorhydrique interagit avec la phase MAX, il attaque certaines parties du matériau, créant les flocons nanométriques caractéristiques de MXenes.

Dans le laboratoire, ce processus aurait lieu dans un récipient de 60 ml avec les ingrédients ajoutés et mélangés à la main. Pour mieux contrôler le processus à plus grande échelle, le groupe utilise une chambre de réacteur d'un litre et un dispositif d'alimentation à vis pour ajouter avec précision la phase MAX. Une entrée alimente uniformément les réactifs dans le réacteur et une autre permet la détente de la pression du gaz pendant la réaction. Une lame de mélange spécialement conçue assure un mélange complet et uniforme. Et une chemise de refroidissement autour du réacteur permet à l'équipe d'ajuster la température de la réaction. L'ensemble du processus est informatisé et contrôlé par un logiciel créé par l'équipe du Materials Research Center.

Le groupe a signalé avoir utilisé avec succès le réacteur pour fabriquer un peu moins de 50 grammes de poudre de MXene à partir de 50 grammes de matériau précurseur de phase MAX en environ deux jours (y compris le temps requis pour laver et sécher le produit). Et une batterie de tests menés par des étudiants du département de science et d'ingénierie des matériaux de Drexel a montré que le MXene produit par réacteur conserve la morphologie, propriétés électrochimiques et physiques de la substance originale fabriquée en laboratoire.

Ce développement place MXenes dans un groupe avec seulement une poignée de matériaux 2D qui ont prouvé qu'ils peuvent être produits en quantités de taille industrielle. Mais parce que la fabrication de MXene est un processus de fabrication soustractif - la gravure de morceaux d'une matière première, comme le rabotage du bois, il se distingue des procédés additifs utilisés pour fabriquer de nombreux autres nanomatériaux 2D.

« La plupart des matériaux 2D sont fabriqués selon une approche ascendante, " a déclaré Christopher Shuck, Doctorat., chercheur post-doctoral à l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux. "C'est là que les atomes sont ajoutés individuellement, un par un. Ces matériaux peuvent être cultivés sur des surfaces spécifiques ou en déposant des atomes à l'aide d'équipements très coûteux. Mais même avec ces machines coûteuses et ces catalyseurs utilisés, les lots de production sont chronophages, petit et toujours d'un coût prohibitif pour une utilisation généralisée au-delà des petits appareils électroniques."

Les MXenes bénéficient également d'un ensemble de propriétés physiques qui facilitent leur passage du matériau traité au produit final, un obstacle qui a même fait trébucher les matériaux avancés largement utilisés aujourd'hui.

« Il faut généralement un certain temps pour développer la technologie et le traitement nécessaires pour obtenir des nanomatériaux sous une forme utilisable industriellement, " a déclaré Gogotsi. " Il ne s'agit pas seulement de les produire en grande quantité, cela nécessite souvent d'inventer des machines et des processus complètement nouveaux pour les obtenir sous une forme pouvant être insérée dans le processus de fabrication - d'une puce électronique ou d'un composant de téléphone portable, par exemple."

Mais pour MXenes, l'intégration dans la chaîne de fabrication est une partie assez facile, selon Gogotsi.

"Un énorme avantage pour les MXenes est qu'ils peuvent être utilisés sous forme de poudre juste après la synthèse ou qu'ils peuvent être dispersés dans l'eau pour former des solutions colloïdales stables, " dit-il. " L'eau est le solvant le moins cher et le plus sûr. Et avec le processus que nous avons développé, nous pouvons tamponner ou imprimer des dizaines de milliers d'appareils petits et fins, comme les supercondensateurs ou les tags RFID, à partir de matériaux fabriqués en un seul lot."

Cela signifie qu'il peut être appliqué dans n'importe quelle variété standard de systèmes de fabrication additive - extrusion, impression, revêtement par immersion, pulvérisation—après une seule étape de traitement.

Plusieurs entreprises cherchent à développer les applications des matériaux MXene, y compris Murata Manufacturing Co, Ltd., une entreprise de composants électroniques basée à Kyoto, Japon, qui développe la technologie MXene pour une utilisation dans plusieurs applications de haute technologie.

"La partie la plus excitante de ce processus est qu'il n'y a fondamentalement aucun facteur limitant à une mise à l'échelle industrielle, " a déclaré Gogotsi. " Il y a de plus en plus d'entreprises produisant des phases MAX en gros lots, et un certain nombre d'entre eux sont fabriqués à l'aide de matériaux précurseurs abondants. Et les MXenes font partie des très rares matériaux 2D pouvant être produits par synthèse chimique humide à grande échelle à l'aide d'équipements et de conceptions d'ingénierie de réaction conventionnels. »