Bien qu'il n'ait que quelques atomes d'épaisseur, MXene est puissant. Cette classe de nanomatériaux monocouches bidimensionnels (2D) présente des propriétés souhaitables telles qu'une excellente conductivité thermique et électrique, une résistance à la chaleur et une surface spécifique élevée. Ces caractéristiques promettent de révolutionner les appareils électroniques performants et les systèmes de stockage d'énergie.

Afin d'optimiser les propriétés de MXene, les chercheurs doivent être capables d'organiser des flocons 2D de celui-ci dans des configurations tridimensionnelles (3D). Ces architectures 3D de MXene peuvent augmenter la densité de stockage d'énergie des batteries lithium-ion et des supercondensateurs, ainsi que fournir des améliorations de performances aux appareils existants.

Malheureusement, il existe aujourd'hui un manque de méthodes de fabrication fiables pour intégrer MXene dans des configurations 3D :Rahul Panat, professeur associé de génie mécanique et directeur associé du Manufacturing Futures Institute de l'Université Carnegie Mellon, cherche à changer cela.

Le processus de fabrication intégrera l'impression Aerosol Jet 3D, une technologie de fabrication additive à l'échelle nanométrique. En utilisant les principes de la dynamique des gouttelettes, le MXene sera dispersé dans un liquide et déposé, couche par couche, en empilements de structures 3D pour former des capteurs électrochimiques et physiques.

"Ces architectures tridimensionnelles sont utiles car elles ont le potentiel de 'rassembler' suffisamment de matériaux à l'échelle nanométrique pour une utilisation pratique dans les appareils électroniques", a expliqué Panat.

"Si je crée une électrode à partir des architectures tridimensionnelles, je peux considérablement augmenter ses performances car les réactions chimiques et/ou biochimiques auraient une surface et un volume 3D plus élevés pour le fonctionnement."

L'équipe de recherche testera et évaluera les performances de ces appareils en fonction de leur sensibilité, reproductibilité et répétabilité des mesures.

Un autre aspect du projet se tourne vers la prochaine génération de la main-d'œuvre américaine. Pour préparer une cohorte de travailleurs qualifiés dans les technologies micro et nanoélectroniques de pointe, l'équipe de Panat recrute des cadets de l'armée américaine poursuivant des études de premier cycle à l'Université Carnegie Mellon, à l'Université Duquesne et à l'Université de Pittsburgh. Les stagiaires supplémentaires comprennent un doctorat. étudiant et postdoctorant du laboratoire de recherche de Panat.

Les stagiaires apprendront l'impression 3D et d'autres méthodes de fabrication avancées, ainsi que des techniques de caractérisation des matériaux telles que la microscopie électronique, la diffraction des rayons X et l'analyse statistique des données.

Une fois formés à l'éventail des techniques d'impression 3D, les cadets de l'US Air Force, de l'Armée et de la Marine pourront réparer directement sur le terrain les composants mécaniques et les circuits électroniques. Cela réduira la dépendance à l'égard de l'externalisation et des chaînes d'approvisionnement qui sont susceptibles d'être gravement perturbées par des événements mondiaux.

Bien que la recherche soit de nature fondamentale, Panat prévoit qu'elle commencera à avoir un impact sur l'industrie dans cinq à sept ans. Au fur et à mesure que la technologie se développera, de nouveaux appareils électroniques à haute performance apparaîtront. + Explorer plus loin

Impression 3D de la prochaine génération de batteries