Forscher haben Van-der-Waals-Materialien (vdW) in großen Mengen bei nahezu Raumtemperatur (im Bereich von Raumtemperatur bis 60 °C) synthetisiert und so den für ihre Herstellung erforderlichen Energieverbrauch um mindestens eine Größenordnung deutlich reduziert.
VdW-Volumenmaterialien sind ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, da sie durch schwache vdW-Kräfte und nicht durch starke kovalente oder metallische Bindungen zusammengehalten werden. Der Studie ist veröffentlicht in Naturmaterialien.
Bisher konnten vdW-Massenmaterialien wie Graphit und hexagonales Bornitrid nur bei sehr hohen Temperaturen (>1.000 °C) synthetisiert werden. In dieser Studie wurden Graphit- oder Bornitridpartikel nicht direkt bei solch hohen Temperaturen gesintert, sondern die Partikel wurden mit sehr geringem Energieverbrauch in zweidimensionale (2D) Nanoblätter abgeblättert. Anschließend wurde ein Formprozess bei 45 °C (oder sogar bei Raumtemperatur) eingesetzt, um diese Nanoblätter in mechanisch robuste vdW-Volumenmaterialien umzuwandeln.
Die Methode lässt sich auf eine Vielzahl von 2D-Materialien anwenden, darunter MXene und Übergangsmetalldichalkogenide. Seine niedrige Herstellungstemperatur ermöglicht auch das Bedrucken der Oberfläche und die Formgebung vor Ort, was beim Hochtemperatursintern aufgrund der thermisch bedingten Schrumpfung und Ausdehnung eine Herausforderung darstellt. Darüber hinaus ermöglichen die additivfreien vdW-Materialien Hochtemperaturanwendungen, bei denen Polymerverbundwerkstoffe auf 2D-Materialbasis versagen.
Dieses Ergebnis ist hauptsächlich auf die vdW-Wechselwirkung zurückzuführen, die den hergestellten Schüttgütern eine hohe mechanische Festigkeit verleiht. Die Aktivierung der vdW-Wechselwirkung erfordert keine hohen Temperaturen, sondern einen Nanometer- oder Subnanometer-Kontakt zwischen benachbarten Nanoblättern. Die Dünnheit und Flexibilität der 2D-Nanoblätter machen sie leicht beweglich und verformbar, was die Bildung enger Kontakte erleichtert.
Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass auf den Nanoblättern adsorbiertes Wasser ein starkes „Sinterhilfsmittel“ ist, das die Nanoblätter schmiert und für eine gute Ausrichtung sorgt. Das eingeschlossene Wasser desorbiert dann von den Nanoblättern und entweicht aufgrund des Nano-Einschlusseffekts aus dem Material, wodurch die Kapillare geschlossen wird, wodurch die vdW-Wechselwirkung aktiviert wird und ein verdichtetes, starkes vdW-Volumenmaterial entsteht.
„Dieser Prozess vereinfacht die Herstellung und reduziert den hohen Energieverbrauch, der mit der Massenproduktion von vdW-Materialien verbunden ist, bietet Skalierbarkeit und könnte auch innovative Ansätze für das vdW-Materialdesign einführen, wie beispielsweise die Hybridisierung verschiedener 2D-Materialien, insbesondere solcher, die bei hohen Verarbeitungstemperaturen instabil sind“, sagte Prof. Su Yang, Forscherin an der Shenzhen International Graduate School der Tsinghua-Universität (SIAT) und korrespondierende Autorin des Artikels.
„Diese Studie deutet auf eine Revolution traditioneller Materialverarbeitungsmethoden durch die Nutzung von Nanomaterialien hin“, sagte Prof. Cheng Huiming vom SIAT.
Zum Team gehören Forscher des SIAT der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), der Shenzhen International Graduate School der Tsinghua-Universität, des Institute of Metal Research der CAS und der University of Science and Technology of China der CAS.
Mehr Informationen:
Jiuyi Zhu et al., Wasservermittelte Verdichtung von Van-der-Waals-Volumenmaterialien aus ihren Nanoblättern bei nahezu Raumtemperatur, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01840-0