Matériau nanocomposite MXène-polymère, créé par les chercheurs Drexel, fait preuve d'une flexibilité exceptionnelle, force et conductivité. Crédit :Université Drexel
Fabriquer un avion en papier à l'école était autrefois synonyme de problèmes. Aujourd'hui, il signale une découverte prometteuse dans la recherche en science des matériaux qui pourrait aider la technologie de nouvelle génération - comme les dispositifs portables de stockage d'énergie - à décoller. Des chercheurs de l'Université Drexel et de l'Université de technologie de Dalian en Chine ont mis au point chimiquement un nouveau nanomatériau électriquement conducteur suffisamment flexible pour se plier, mais assez solide pour supporter plusieurs fois son propre poids. Ils pensent qu'il peut être utilisé pour améliorer le stockage de l'énergie électrique, filtration de l'eau et blindage radiofréquence dans la technologie de l'électronique portable aux câbles coaxiaux.
Trouver ou fabriquer un matériau mince qui est utile pour retenir et distribuer une charge électrique et qui peut être déformé dans une variété de formes, est une rareté dans le domaine de la science des matériaux. La résistance à la traction -la résistance du matériau lorsqu'il est étiré- et la résistance à la compression -sa capacité à supporter le poids- sont des caractéristiques précieuses pour ces matériaux car, à seulement quelques atomes d'épaisseur, leur utilité repose presque entièrement sur leur polyvalence physique.
"Prenez l'électrode de la petite batterie lithium-ion qui alimente votre montre, par exemple, idéalement, le matériau conducteur de cette électrode serait très petit - vous n'avez donc pas de montre encombrante attachée à votre poignet - et contiendrait suffisamment d'énergie pour faire fonctionner votre montre pendant une longue période de temps, " dit Michel Barsoum, Doctorat, Professeur émérite au Collège d'ingénierie. « Mais et si nous voulions faire du bracelet de la montre la batterie ? Ensuite, nous voudrions toujours utiliser un matériau conducteur très fin et capable de stocker de l'énergie, mais il devrait également être suffisamment flexible pour se plier autour de votre poignet. Comme tu peux le voir, juste en changeant une propriété physique du matériau - la flexibilité ou la résistance à la traction - nous ouvrons un nouveau monde de possibilités."
Ce nouveau matériau souple, que le groupe a identifié comme un nanocomposite polymère conducteur, est la dernière expression des recherches en cours au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Drexel sur une famille de matériaux composites bidimensionnels appelés MXenes.
Ce développement a été facilité par la collaboration entre les groupes de recherche de Yury Gogotsi, Doctorat, Distinguished University and Trustee Chair professeur au College of Engineering de Drexel, et Jieshan Qiu, vice-doyen à la recherche de l'École de génie chimique de l'Université de technologie de Dalian en Chine. Zheng Ling, un doctorant de Dalian, passé un an chez Drexel, fer de lance de la recherche qui a conduit aux premiers composites MXene-polymère. La recherche à Drexel a été financée par des subventions de la National Science Foundation et du département américain de l'Énergie.
Une image au microscope électronique à balayage montre le remplissage de polymère d'alcool polyvinylique entre les couches de MXene, qui confère au matériau ses propriétés uniques. Crédit :Université Drexel
L'équipe Drexel a examiné avec diligence MXenes comme un paléontologue balayant soigneusement les sédiments pour déterrer un trésor scientifique. Depuis l'invention du carbure en couches en 2011, les ingénieurs trouvent des moyens de tirer parti de sa composition chimique et physique pour créer des matériaux conducteurs dotés d'une variété d'autres propriétés utiles.
L'un des moyens les plus efficaces qu'ils ont développés pour aider MXenes à exprimer leur éventail de capacités est un processus, appelé intercalation, qui consiste à ajouter divers composés chimiques sous forme liquide. Cela permet aux molécules de se déposer entre les couches du MXene et, ce faisant, modifier ses propriétés physiques et chimiques. Certains des premiers, et la plus impressionnante de leurs découvertes, ont montré que les MXenes ont un grand potentiel de stockage d'énergie.
Pour produire le nanocomposite polymère conducteur flexible, les chercheurs ont intercalé le carbure de titane MXene, avec de l'alcool polyvinylique (PVA) -un polymère largement utilisé comme adhésif pour papier connu sous le nom de colle scolaire ou d'Elmer, et souvent trouvés dans les recettes de colloïdes tels que le gel pour les cheveux et le mastic idiot. Ils se sont également intercalés avec un polymère appelé PDDA (chlorure de polydiallyldiméthylammonium) couramment utilisé comme coagulant dans les systèmes de purification d'eau.
"L'unicité de MXenes vient du fait que leur surface est pleine de groupes fonctionnels, comme l'hydroxyle, conduisant à une liaison étroite entre les flocons de MXene et les molécules de polymère, tout en préservant la conductivité métallique des couches de carbure nanométriques. Cela conduit à un nanocomposite avec une combinaison unique de propriétés, " dit Gogotsi.
Une fois roulé en forme de tube, le nanocomposite MXene-polymère présente une excellente résistance à la compression. Crédit :Université Drexel
Les résultats des deux séries de tests MXene ont été récemment publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Dans le journal, les chercheurs rapportent que le matériau présente une capacité accrue à stocker la charge par rapport au MXene d'origine; et 300-400 pour cent d'amélioration de la force.
"Nous avons montré que la capacité volumétrique d'un nanocomposite MXene-polymère peut être beaucoup plus élevée par rapport aux électrodes conventionnelles à base de carbone ou même de graphène, " dit Chang Ren, Le doctorant de Gogotsi à Drexel. "Lorsque vous mélangez du MXene avec du PVA contenant du sel d'électrolyte, le polymère joue le rôle d'électrolyte, mais il améliore également la capacité car il agrandit légèrement l'espace intercalaire entre les flocons de MXene, permettre aux ions de pénétrer profondément dans l'électrode ; les ions restent également piégés près des flocons de MXene par le polymère. Avec ces électrodes conductrices et sans électrolyte liquide, nous pouvons éventuellement éliminer les collecteurs de courant métalliques et fabriquer des supercondensateurs plus légers et plus minces."
Les tests ont également révélé les propriétés hydrophiles du nanocomposite, ce qui signifie qu'il pourrait avoir des utilisations dans les systèmes de traitement de l'eau, telle que membrane pour la purification de l'eau ou le dessalement, car il reste stable dans l'eau sans se briser ni se dissoudre.
En outre, parce que le matériau est extrêmement flexible, il peut être roulé dans un tube, ce que les premiers tests ont indiqué ne sert qu'à augmenter sa résistance mécanique. Ces caractéristiques marquent le début d'une variété de voies de recherche sur ce matériau nanocomposite pour des applications allant des armures flexibles aux composants aérospatiaux. La prochaine étape pour le groupe sera d'examiner comment des rapports variables de MXène et de polymère affecteront les propriétés du nanocomposite résultant et d'explorer également d'autres MXènes et des polymères plus résistants et plus résistants pour des applications structurelles.
