DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50541-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39033166
تاريخ النشر: 2024-07-20
المؤلف: Haojie Jiang وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة للتشتت بمساعدة المذيب (SAD) لدمج الحشوات الوظيفية، وبشكل خاص MXene، في المعادن السائلة (LM) لتعزيز خصائصها الريولوجية وتمكين تشكيلها على مقياس الميكرومتر. تتغلب هذه الطريقة بفعالية على التحديات المرتبطة بتحقيق تشتت مستقر وموحد للمواد ذات الأبعاد المنخفضة في LM، وهو أمر حاسم للتطبيقات في الإلكترونيات المرنة، والحماية الكهرومغناطيسية، والروبوتات اللينة. تظهر طريقة SAD اتصالًا داخليًا متفوقًا مقارنةً بخلط المسحوق الجاف التقليدي (DPM)، مما يؤدي إلى طلاءات MXene/LM (MLM) تظهر أداءً مثيرًا للإعجاب في الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، حيث تصل إلى 105 ديسيبل عند 20 ميكرومتر—أفضل بمقدار 1.6 مرة من الطلاءات المعدة بواسطة DPM.
بالإضافة إلى ذلك، تسهل الخصائص الريولوجية لمركب MLM قابليته للتشكيل، مما يسمح بالطباعة المباشرة والتكيف مع تصاميم هيكلية متنوعة. يبرز هذه الدراسة إمكانيات طريقة SAD لتبسيط تجميع LM مع المواد ذات الأبعاد المنخفضة، مما يعزز تطوير أجهزة لينة متعددة الوظائف. تعالج النتائج تحديات كبيرة في هذا المجال، مثل التوتر السطحي وقابلية الرطوبة المحدودة، مما يمهد الطريق لتحسين عمليات التصنيع وزيادة أداء المواد الموصلة القائمة على LM.
طرق
في قسم الطرق، تفصل الدراسة عن شراء مواد كيميائية ومكونات متنوعة ضرورية للبحث. تم الحصول على EGaIn، وهو سبيكة تتكون من 75% غاليوم (Ga) و25% إنديوم (In)، من شركة شنيانغ جيا بي للتجارة المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على صفائح نانوية من الفضة نقاوتها تزيد عن 99.9% من CMT للمواد الجديدة. تشمل المواد الأخرى فلوريد الليثيوم (LiF)، وأكسيد الحديد الثلاثي (Fe3O4، 99.5%، 20 نانومتر)، وإيثانول خالي من الماء (99.7%)، جميعها تم الحصول عليها من شركة شنغهاي علاء الدين الصناعية. تم شراء حمض الهيدروكلوريك (HCl، 36-38%) من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية، بينما تم الحصول على مسحوق MAX (Ti3AlC2، 98%) من شركة فوشان شينكسي للتكنولوجيا. تم الحصول على أنابيب الكربون متعددة الجدران (≥ 97%، بقطر أنبوب من 3-15 ميكرومتر وطول من 15-30 ميكرومتر) من شركة كاينا للمواد الجديدة، وتم الحصول على الجرافين (معدل طبقة واحدة >80%، D90: 11-15 ميكرومتر) من شركة شنتشن غوسين تكنولوجيا الطيار. جميع المواد الكيميائية التي تفتقر إلى تحديد نقاوة محدد كانت من الدرجة التحليلية ولم تخضع لمزيد من التنقية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يبرز الاتجاهات البيانية الهامة، والنتائج الإحصائية، وأي علاقات تم ملاحظتها بين المتغيرات. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول، والرسوم البيانية، أو الأشكال، التي توفر تمثيلًا بصريًا للبيانات وتساعد في التفسير.
قد تشمل النتائج قيمًا عددية محددة، مثل المتوسطات، والانحرافات المعيارية، أو معاملات الارتباط، التي تقيس العلاقات أو التأثيرات الملاحظة. بالإضافة إلى ذلك، قد يناقش القسم تداعيات هذه النتائج في سياق الأسئلة البحثية المطروحة، مع التأكيد على كيف تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. بشكل عام، يخدم هذا القسم في التحقق من الفرضيات وتوفير أساس لمزيد من المناقشة والاستنتاجات في الأقسام اللاحقة من الورقة.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش البحث تصميم وخصائص مركبات MXene/LM، مع التركيز بشكل خاص على التحديات والأساليب لدمج MXene في المعادن السائلة (LM). تبرز الدراسة قيود الطرق التقليدية مثل خلط المسحوق المباشر (DPM)، التي تواجه صعوبة في تحقيق تشتت موحد لـ MXene بسبب غياب بيئة الروابط الهيدروجينية في LM. بدلاً من ذلك، يؤكد المؤلفون على فعالية طريقة التشتت بمساعدة المذيب (SAD)، التي تسمح بتغلغل أفضل لـ MXene عبر مقاييس متنوعة، مما يؤدي إلى مركب أكثر استقرارًا وتجانسًا. لا تعزز عملية SAD الخصائص الريولوجية لـ LM فحسب، بل تحسن أيضًا من التصاقه وقابلية رطوبته على الركائز المتنوعة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في الإلكترونيات المرنة.
تكشف النتائج أن طريقة SAD تؤدي إلى تحسين كبير في فعالية الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) لمركبات. تظهر طلاءات MLM-S أداءً متفوقًا مقارنةً بتلك المعدة عبر DPM، حيث تحقق قيم EMI SE تتجاوز 100 ديسيبل عند سمك 20 ميكرومتر. يُعزى هذا التحسين إلى التشتت الفعال لـ MXene داخل مصفوفة LM، مما يسهل مسارات موصلة أفضل وتفاعلات سطحية. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على الاستقرار الميكانيكي والمتانة لطلاءات MLM-S تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك الشد والتسخين، مما يشير إلى إمكاناتها للتطبيقات العملية في الإلكترونيات القابلة للارتداء وغيرها من التقنيات المتقدمة. تؤكد البحث على أهمية تحسين هيكل المركب لاستغلال الخصائص الفريدة لكل من MXene وLM من أجل تحسين الأداء في الحماية من EMI وتطبيقات المستشعرات المرنة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50541-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39033166
Publication Date: 2024-07-20
Author(s): Haojie Jiang et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
The research presents a novel solvent-assisted dispersion (SAD) method for integrating functional fillers, specifically MXene, into liquid metals (LM) to enhance their rheological properties and enable micrometer-scale shaping. This approach effectively overcomes the challenges associated with achieving stable and uniform dispersions of low-dimensional materials in LM, which is critical for applications in flexible electronics, electromagnetic shielding, and soft robotics. The SAD method demonstrates superior internal connectivity compared to traditional dry powder mixing (DPM), resulting in MXene/LM (MLM) coatings that exhibit impressive electromagnetic interference (EMI) shielding performance, reaching 105 dB at 20 μm—1.6 times better than DPM-prepared coatings.
Additionally, the rheological characteristics of the MLM composite facilitate its malleability, allowing for direct printing and adaptation to various structural designs. This study highlights the potential of the SAD method to simplify the assembly of LM with low-dimensional materials, thereby advancing the development of multifunctional soft devices. The findings address significant challenges in the field, such as interfacial tension and limited wettability, ultimately paving the way for improved manufacturing processes and enhanced performance of LM-based conductive materials.
Methods
In the Methods section, the study details the procurement of various chemicals and materials essential for the research. EGaIn, an alloy consisting of 75% Gallium (Ga) and 25% Indium (In), was sourced from Shenyang Jiabei Trading Co. Ltd. Additionally, Ag nanosheets with a purity greater than 99.9% were obtained from CMT New Materials. Other materials included lithium fluoride (LiF), triiron tetraoxide (Fe3O4, 99.5%, 20 nm), and anhydrous ethanol (99.7%), all acquired from Shanghai Aladdin Industrial Corporation. Hydrochloric acid (HCl, 36-38%) was purchased from Sinopharm Chemical Reagents Co., Ltd., while MAX powder (Ti3AlC2, 98%) was obtained from Foshan Xinxi Technology Co., Ltd. Multi-walled carbon nanotubes (≥ 97%, with a tube diameter of 3-15 μm and length of 15-30 μm) were sourced from Kaina Carbon New Material Co., and graphene (single-layer rate >80%, D90: 11-15 μm) was acquired from Shenzhen Guosen Pilot Technology Co. All chemicals lacking specific purity identification were of analytical grade and did not undergo further purification.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights significant data trends, statistical outcomes, and any observed relationships among variables. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures, which provide a visual representation of the data and facilitate interpretation.
The findings may include specific numerical values, such as means, standard deviations, or correlation coefficients, which quantify the relationships or effects observed. Additionally, the section may discuss the implications of these results in the context of the research questions posed, emphasizing how they contribute to the existing body of knowledge in the field. Overall, this section serves to validate the hypotheses and provide a foundation for further discussion and conclusions in subsequent sections of the paper.
Discussion
In this section, the research discusses the design and characterization of MXene/LM composites, specifically focusing on the challenges and methodologies for incorporating MXene into liquid metal (LM). The study highlights the limitations of traditional methods like direct powder mixing (DPM), which struggle with achieving uniform dispersion of MXene due to the absence of a hydrogen bond environment in LM. Instead, the authors emphasize the effectiveness of the solvent-assisted dispersion (SAD) method, which allows for better infiltration of MXene across various scales, resulting in a more stable and homogenous composite. The SAD process not only enhances the rheological properties of LM but also improves its adhesion and wettability on diverse substrates, making it suitable for applications in flexible electronics.
The findings reveal that the SAD method leads to a significant improvement in the electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (SE) of the composites. The MLM-S coatings demonstrate superior performance compared to those prepared via DPM, achieving EMI SE values exceeding 100 dB at a thickness of 20 μm. This enhancement is attributed to the effective dispersion of MXene within the LM matrix, which facilitates better conductive pathways and interfacial interactions. Additionally, the study confirms the mechanical stability and durability of the MLM-S coatings under various conditions, including stretching and heating, indicating their potential for practical applications in wearable electronics and other advanced technologies. The research underscores the importance of optimizing the composite structure to harness the unique properties of both MXene and LM for enhanced performance in EMI shielding and flexible sensor applications.