研究旨在优化复杂3D设备架构中的MXene

尽管只有几个原子厚，但MXene具有强大的冲击力。这类单层、二维(2D)纳米材料具有理想的特性，例如出色的导热性和导电性、耐热性和高比表面积。这些特性有望彻底改变高性能电子设备和能量存储系统。

为了优化MXene的特性，研究人员需要能够将其2D薄片排列成三维(3D)配置。MXene的这种3D架构可以提高锂离子电池和超级电容器的能量存储密度，并为现有设备提供性能增强。

不幸的是，目前缺乏可用于将MXene构建到3D配置中的可靠制造方法：卡内基梅隆大学机械工程副教授兼制造期货研究所副主任RahulPanat试图改变这一点。

制造过程将采用纳米级增材制造技术AerosolJet3D打印。使用液滴动力学原理，MXene将分散在液体中，并逐层沉积成堆叠的3D结构，形成电化学和物理传感器。

“这些三维架构很有用，因为它们有可能‘收集’足够多的纳米级材料以实际用于电子设备，”帕纳特解释说。

“如果我从3D架构中创建一个电极，我可以显着提高其性能，因为化学和/或生化反应将具有更高的表面积和3D体积以进行操作。”

研究小组将根据这些设备的灵敏度、可重复性和测量的可重复性来测试和评估这些设备的性能。

该项目的另一个方面着眼于下一代美国劳动力。为了培养一批掌握尖端微电子和纳米电子技术的熟练工人，帕纳特的团队正在招募在卡内基梅隆大学、杜肯大学和匹兹堡大学攻读本科学位的美国学员。其他学员包括博士学位。帕纳特研究实验室的学生和博士后研究员。

学员将学习3D打印和其他先进制造方法，以及电子显微镜、X射线衍射和统计数据分析等材料表征技术。

一旦他们接受了3D打印技术的培训，美国空军、陆军和海军的学员将能够直接在现场修复机械部件和电子电路。这将减少对易受全球事件严重破坏的外包和供应链的依赖。

尽管这项研究本质上是基础性的，但帕纳特预计它将在五到七年内开始影响行业。随着技术的进一步发展，新的高性能电子设备将会出现。

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