Масштабируемая система c реактором травления для производства перспективных 2D наноматериалов максенов MXenes

Rus На русском Eng In English

Уже более десяти лет двумерные наноматериалы, такие как графен, рекламируются как ключ к созданию более совершенных микросхем, батарей, антенн и многих других устройств. Но серьезной проблемой использования этих атомно тонких строительных материалов для технологий будущего является обеспечение того, чтобы их можно было производить в больших количествах без потери их качества. alt
Для одного из самых многообещающих новых типов 2D наноматериалов максенов (MXenes) это больше не проблема. Исследователи из Университета Дрекселя и Materials Research Centre (Центр материаловедения) в Украине разработали систему, которая может быть использована для производства больших количеств материала при сохранении его уникальных свойств. Недавно группа опубликовала статью в журнале Advanced Engineering Materials о том, что лабораторная система с реактором травления, разработанная в Materials Research Centre в Киеве, может превращать керамический материал-исходник в порошкообразный черный двумерный карбид титана MXene партиями в количестве до 50 граммов за синтез.

Доказательство того, что большие партии материала могут быть улучшены и производиться последовательно, является критическим шагом к достижению жизнеспособности производства. Для материалов MXene, которые уже зарекомендовали себя в качестве прототипа устройств для хранения энергии, вычислительной техники, связи и здравоохранения, достижение производственных стандартов является этапом на пути к массовому использованию. «Доказать, что материал обладает определенными свойствами, - это одно, но доказательство того, что он может преодолеть практические проблемы производства, - это совсем другое препятствие - опубликованная работа сообщает о важном шаге в этом направлении», - обьясняет Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор инженерного колледжа Университета Дрекселя, который является первооткрывателем в области исследований и разработок MXene и является ведущим автором статьи. «Это означает, что MXene можно рассматривать для широкого использования в электронике и устройствах накопления энергии».

Исследователи из Университета Дрекселя производят MXene в небольших количествах - обычно один грамм или меньше - с тех пор, как они впервые синтезировали материал в 2011 году. Слоистый наноматериал, который выглядит как порошок в сухом виде, начинает свой путь из куска керамики, под названием максфаза (MAX phase). Когда смесь плавиковой и соляной кислот взаимодействует с максфазой, она вытравливает определенные части материала, создавая чешуйки нанометрового размера, характерные для MXenes.

В лаборатории этот процесс будет происходить в контейнере на 60 мл с добавлением и смешиванием ингредиентов вручную. Чтобы более тщательно контролировать процесс в более широком масштабе, группа использует однолитровую реакторную камеру и устройство шнекового питателя для точного добавления максфазы. Один впуск равномерно подает реагенты в реактор, а другой обеспечивает сброс давления газа во время реакции. Специально разработанная мешалка обеспечивает тщательное и равномерное перемешивание. А охлаждающая рубашка вокруг реактора позволяет команде регулировать температуру реакции. Весь процесс компьютеризирован и контролируется программой, созданной командой Materials Research Centreв. Группа сообщила об успешном использовании реактора для получения чуть менее 50 г порошка MXene из 50 г исходного материала MAX-фазы в течение примерно двух дней (включая время, необходимое для промывки и сушки продукта). И множество испытаний, проведенных студентами на факультете Инженерного материаловедения Университета Дрекселя, показали, что полученный в реакторе MXene сохраняет морфологические, электрохимические и физические свойства исходного вещества, изготовленного в лаборатории. 

alt

Cистема c реактором травления, протестированная исследователями Университета Дрекселя, может одновременно производить до 50 граммов материала MXene. Эта разработка объединяет MXenes в группу из нескольких 2D материалов, которые доказали, что они могут быть произведены в промышленных масштабах. Но поскольку производство максенов MXene - это субтрактивный производственный процесс - вытравливание кусочков сырья, как строгание пиломатериалов - отличается от аддитивных процессов, используемых для изготовления многих других двумерных наноматериалов.
«Большинство 2D-материалов сделаны с использованием подхода«снизу вверх », - сказал Christopher Shuck,  постдокторант и исследователь из Института наноматериалов в Университете Дрекселя. «Здесь атомы добавляются индивидуально, один за другим. Эти материалы могут быть выращены на определенных поверхностях или путем нанесения атомов с использованием очень дорогого оборудования. Но даже при использовании этих дорогостоящих машин и катализаторов производство партий занимает много времени, они являются небольшими и являются все же чрезмерно дорогими для широкого использования помимо небольших электронных устройств».

Выгодным преимуществом масенов MXenes также является набора физических свойств, которым они обладают и которые облегчают их путь от обрабатываемого материала к конечному продукту - препятствие, с которым сталкиваются даже в современных широко используемых современных материалах. «Обычно требуется много времени для разработки технологии и обработки, чтобы получить наноматериалы в промышленно пригодной форме», - поясняет професор Юрий Гогоци. «Дело не только в том, чтобы производить их в больших количествах, часто требуется изобретать совершенно новые механизмы и процессы, чтобы получить их в форме, которую можно вставить в производственный процесс - например, в микрочип или компонент сотового телефона ». По словам Гогоци, для максенов MXenes интеграция в производственную линию является довольно простой частью.

«Одним из огромных преимуществ MXenes является то, что они используются в виде порошка сразу после синтеза или могут быть диспергированы в воде с образованием стабильных коллоидных растворов», - сказал он. «Вода является наименее дорогим и самым безопасным растворителем. И с помощью процесса, который мы разработали, мы можем штамповать или печатать десятки тысяч маленьких и тонких устройств, таких как суперконденсаторы или метки RFID, из материала, синтезированного в одной партии». Это означает, что он может быть применен в любой из стандартных систем аддитивного производства - экструзии, печати, нанесения покрытия погружением, распыления - после одного этапа обработки.

Несколько компаний занимаются разработкой приложений для материалов MXene, в том числе Murata Manufacturing Co, Ltd., компания по производству электронных компонентов, расположенная в Киото, Япония, которая разрабатывает технологию MXene для использования в нескольких высокотехнологичных приложениях. «Самая захватывающая часть этого процесса заключается в том, что нет принципиальных ограничений для расширения промышленности», - сказал Гогоци. «Все больше и больше компаний производят MAX фазы большими партиями, и некоторые из них производятся с использованием большого количества материалов-прекурсоров. И MXenes являются одними из очень немногих 2D материалов, которые могут быть получены с помощью влажного химического синтеза в больших масштабах с использованием обычного оборудования и конструкций для реакции».

 Это исследование было поддержано U.S. Office of the Director of National Intelligence, the National Science Foundation,  European Commission и U.S. Department of Energy.

Кроме профессора Юрия Гогоци (Yury Gogotsi) и доктора Christopher Shuck в этой работе приняли участие от Университета Дрекселя Аsia Sarycheva, Mark Anayee, Ariana Levitt, Yuanzhe Zhu, Simge Uzun, а также Vitalii Balitskyi, Veronika Zahorodna and Oleksiy Gogots от  Materials Research Center (Киев, Украина).

Источник: https://drexel.edu/now/archive/2020/March/scaling_MXene/ 

 
 

 

 

 

 
 
 
 
 
 

НОВОСТИ НАУКИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Участник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнерскую организацию Вильнюсский университет, Вильнюс, Литва, 22.02-14.03.2020 г

altУчастник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), выполнил визит в партнерскую организацию Вильнюсский университет, для выполнения программы совместных исследований и тренингов.

 
Масштабируемая система c реактором травления для производства перспективных 2D наноматериалов максенов MXenes

alt

Недавно группа исследователей опубликовала статью в журнале Advanced Engineering Materials о том, что лабораторная система с реактором травления, разработанная в Materials Research Centre в Киеве совместно с Университетом дрекселя, может превращать керамический материал-исходник в порошкообразный черный двумерный карбид титана MXene партиями в количестве до 50 граммов за синтез.

 
Наука будущего и использование разумных наноматериалов в новых технологиях. Лекция профессора Юрия Гогоци для школьников, воспитанников Малой академии наук Украины в КПИ им. Сикорского, 27 февраля 2020 года

altВсемирно известный ученый-украинец профессор Юрий Георгиевич Гогоци рассказал о последних новинках нанотехнологий. Возможность для общения с ученым мирового уровня - редкость, но воспитанникам Малой Академии Наук Украины (МАН) везет. Именно такую ​​возможность они недавно получили.

 
Участник проекта H2020 NANO2DAY от MRC Иван Гришко посетил партнерскую организацию Латвийского Университета, Риги, в ноябре-декабре 2019 года

altИнженер-исследователь из MRC Иван Гришко находится в Латвийском университете, где провел семинар по MXenes

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, Зозуля Юлия и Виталий Балицкий посетили партнерскую организацию Каунасский технологический университет, Каунас, Литва, август 2019 г. - октябрь 2019 г.

altСовместно с коллегами из КТУ они занимались симуляциями и моделированием механических свойств наноматериалов и нанокомпозитов.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с избранием в члены Европейской академии наук (EURASC)!

профессор Юрий Гогоци, Университет Дрекселя, СШАВ январе 2019 года профессор Юрий Гогоци был избран членом Европейской академии наук (EURASC). Профессор Юрий Гогоци - ведущий украинский и американский ученый в области химии, с 2000 года профессор Университета Дрекселя, Филадельфия, США, в области материаловедения, инженерии и нанотехнологий.

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнерскую организацию Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь, май 2019 года.

altMRC посетил партнерскую организацию Белорусский государственный университет. Вместе с нашими партнерами из БГУ был обсужден и изучен опыт в области диспергирования CNT и графена в полимерах. Проводились сравнения разных смол  и отвердителя для изготовления полимерной матрицы.

 
Визит по проекту NANO2DAY доктора Виталися Лейсиса из Каунасского технологического университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в ноябре-декабре 2018 г.

altУченый исследователь Виталис Лейсис из Каунасского университета, Каунас, Литва, посетил Materials Research Centre, Киев, Украина,  в ноябре-декабре 2018 года для выполнения работ по проекту MSCA RISE NANO2DAY в рамках международной европейской научно-исследовательской программы Горизонт-2020.

Целью этого проекта является разработка новых многофункциональных композитов с выдающимися электронными и механическими свойствами путем включения новых наноматериалов MXene в полимерные матрицы. Во время своего визита доктор Виталис Лейсис ознакомился с разработками партнера проекта MRC, также обсуждались и прорабатывались компьютерные симуляции и моделирование структуры полимерных композитов допированных максенами (MXenes) для дальнейшего расчета их прочностных свойств.

 
ADVANCED SCIENCE NEWS: Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего».

yurigogotsi_drexel_university_2018.jpg - 466.16 Kb

Юрий Гогоци прирожденный  химик, его волнуют научные открытия и он даже не представляет, что мог бы заниматься чем- то иным.

Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего». Он с большим энтузиазмом относится к использованию нанотехнологий для создания «новых искусственных материалов, конструкций и устройств из наноразмерных строительных блоков» и к более широкому применению «симуляций, моделирования и компьютерных расчетов для решения проблем материаловедения», хотя и признает обеспокоенность по поводу неизвестных эффектов, которые искусственный интеллект окажет на нашу будущую жизнь. 

 
Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, в рамках международного научного сотрудничества по программе Горизонт 2020 посетили партнерскую организацию Университет Дрекселя, Филадельфия, США, сентябрь-октябрь 2018 г.

alt

Участники проекта от MRC работают в тесном сотрудничестве с исследователями из Университета Дрекселя, перенимают опыт в синтезе двумерных наноматериалов максенов (MXene), знакомятся и изучают последние разработки коллег из группы Института Наноматериалов Университета Дрекселя под руководством профессора Юрия Гогоци по синтезу максенов, их обработке и применениям для разных назначений. Участниками  от MRC совместно с  исследователями из Дрекселя в химической лаборатории Университета Дрекселя были синтезированы максены  для нужд проекта NANO2DAY. 

 
Директор Materials Research Centre Алексей Гогоци во время рабочей поездки в Университет Дрекселя по по проекту NANO2DAY выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre

altДиректор Materials Research Centre (Киев, Украина) Алексей Гогоци  во время рабочей поездки по по проекту  европейской программы HORIZON 2020 MSCA RISE Project №777810 NANO2DAY в Университет Дрекселя выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre, ее деятельности и участии в международных научно-исследовательских проектах, и в частности проекта NANO2DAY.

 
Директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer из University of Chemistry and Technology, Прага, Чехия, и посетил его семинар по 2d наноматериалам, Университет Дрекселя, США, 18 октября 2018 г.

altВо время рабочей поездки в Университет Дрекселя по международномунаучно-исследовательскому проекту NANO2DAY в рамках европейской научной программы HORIZONT 2020 директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer  из Высшей школы химической технологии,  Прага, Чехия, и посетил его семинар по наноматериалам. Професоор Zdenek Sofer выступил с интересным докладом посвященным разным двумерным материалам помимо графена. 

 

 
Визит по проекту NANO2DAY ученого-исследователя Максима Плахотнюка из Датского Технического Университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в сентябре-ноябре 2018 г.

NANO2DAY project Maksym Plakhotnyuk, DTU visited MRC, November 2018Ученый-исследователь Максим Плахотнюк из исследовательской группы Technical University of Denmark (DTU), возглавляемой проф. Леоном Мишнаевским (prof. Leon Mishnaevsky, Technical University of Denmark), посетил Materials Research Centre, Киев, Украина, на протяжении сентября-ноября 2018 года по программе Горизонт-2020 в рамках проекта MSCA RISE NANO2DAY.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с вручением Ордена Дружбы от Китайского правительства, 29 сентября 2018

altНаграду профессору Юрию Гогоци вручал Вице-премьер министр Китая Лю Хе. Орден Дружбы - высшая государственная награда Китайской Народной Республики для иностранных граждан. Орден Дружбы - самая высокая награда Китая для иностранных экспертов, которые внесли выдающийся вклад в экономическое и социальное развитие страны.

 
15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018

alt15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018. В этой конференции, организованной международным форумом YES приняли участие ведущие политики, дипломаты, бизнесмены, общественные деятели и эксперты из 28 стран.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци, который по версии Clarivate Analytics стал одним из самых влиятельных ученых в области физики в 2018 году!

Professor Yury GogotsiУченый украинского происхождения Юрий Гогоци, заслуженный профессор Университета Дрекселя, (Филадельфия, США) был назван известным рейтинговым агенством Clarivate Analytics одним из самых влиятельных ученых мирового класса по количеству цитирований его публикаций.

 
NAP 2018: Восьмая Международная конференция "Наноматериалы: применение и свойства", Затока, Украина, 9-14 сентября 2018,

2018 IEEE International Conference on “Nanomaterials Applications & Properties”

С 9 по 14 сентября на берегу Черного моря в пгт Затока (Одесская область) прошла уже традиционная 8-я Международная конференция «Наноматериалы: применение и свойства» (2018 IEEE International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties) 

 
Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, в рамках международного научного сотрудничества посетили партнерскую организацию Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, Словакия, июль-сентябрь 2018

alt

Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, директор и руководитель проекта от MRC Алексей Гогоци и  Вероника Загородная в рамках международного научного сотрудничества посетили партнерскую организацию Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, Словакия, в соответствии с планом коммандировок по проекту.

Участники проекта от MRC работают в тесном сотрудничестве с исследователями из Института Полимеров, делятся своим опытом в синтезе двумерных наноматериалов (MXene), знакомятся и изучают последние разработки коллег  по полимерам и композиционным материалам.

 
Рабочая поездка по проекту NANO2DAY проф. Марии Омастовой в Центр Материаловедения, Киев, Украина, июль-август 2018

PrПрофессор Мария Омастова, Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, и директор Центра Материаловедения Алексей Гогоци, июль-август 2018Профессор Мария Омастова из Института полимеров Словацкой академии наук, Братислава, Словакия, посетила  Materials Research Centre, Киев, Украина, на протяжении июля-августа 2018 года по программе Горизонт-2020 в рамках проекта MSCA RISE NANO2DAY.

 
Первая международная конференция по максенам MXenes, Цзилиньский Университет, Чанчунь, Китай, 24-26 мая 2018

MXene conference 2018Встреча является первой международной конференцией, посвященной двумерным материалам максинам MXene, которая должна помочь ученым в изучении двумерных материалов и энергии взаимодействовать, а также обсуждать достижения и проблемы в различных областях.