Istituto di nanotecnologia AJ Drexel

L'AJ Drexel Nanotechnology Institute (DNI) è stato fondato nel gennaio 2003 per coordinare la ricerca interdisciplinare, l'istruzione, la sensibilizzazione e i partenariati strategici nel campo delle nanotecnologie per tutta la Drexel University.

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  – Istituto di nanotecnologia AJ Drexel

Progetti

MXeni

Gli MXeni sono una famiglia di composti inorganici bidimensionali (2D) con la formula generale di M_N+1X_NT_X, dove M è un metallo di transizione iniziale, X è carbonio e/o azoto e T è un gruppo funzionale sulla superficie di un MXene (tipicamente O, OH e F) (M. Naguib, et al. Avv. Madre., 2014, 26, 992). Gli MXeni hanno l'elevata conduttività metallica dei carburi dei metalli di transizione e sono (a differenza di altri materiali 2D come il grafene) idrofili a causa delle loro superfici a terminazione idrossilica e ossigeno. Gli MXeni sono stati scoperti per la prima volta nel 2011 presso la Drexel University, come risultato dell'attacco selettivo dello strato A da carburi e nitruri di metalli di transizione ternari in massa, noti come fasi MAX, che producono MXeni multistrato. Per aumentare l'area superficiale e l'accessibilità della sua superficie, gli MXeni multistrato vengono generalmente sottoposti a ulteriore lavorazione per produrre soluzioni di MXeni delaminati.

Grazie alla loro idrofilia, gli MXeni possono essere lavorati in solventi organici acquosi e polari per formare soluzioni colloidali stabili che possono essere filtrate per formare pellicole indipendenti e rivestite a spruzzo per formare rivestimenti conduttivi trasparenti. Ciò fornisce un maggior numero di potenziali applicazioni per questa famiglia di materiali. Il primo MXene scoperto è stato il Ti₃C₂ ed è stato inizialmente studiato per le sue proprietà elettrochimiche in batterie e supercondensatori (B. Anasori, et al. Materiali per recensioni sulla natura, 2017, 2, 16098). Negli ultimi anni, tuttavia, sono state scoperte oltre due dozzine di MXene insieme a dozzine di altre applicazioni.

Il rene artificiale indossabile (WAK) è considerato un potenziale candidato in grado di offrire una migliore qualità di vita ai pazienti con malattia renale allo stadio terminale. La tecnologia chiave, che rappresenta anche una sfida importante, è il sistema adsorbente per la rigenerazione del dializzato. I nanofogli MXene 2D sono costituiti da due a quattro strati atomici di un metallo di transizione intercalato con carbonio o azoto con terminazioni superficiali legate agli strati metallici esterni. La combinazione di un nucleo in carburo di metallo di transizione con terminazioni superficiali rende i materiali conduttivi di MXenes simili all'argilla. Ciò suggerisce che la struttura dell’MXene potrebbe essere potenzialmente messa a punto per assorbire molecole specifiche ottimizzando la distanza interatomica e interlaminare del materiale. Inoltre, poiché le superfici dell’MXene terminano con −OH, −O− e −F, la loro affinità con gli adsorbati potrebbe essere ulteriormente migliorata formando legami idrogeno sulla superficie. Pertanto, ci dedichiamo allo sviluppo di un sistema adsorbente basato su MXene per rimuovere direttamente le tossine uremiche dal dializzato e persino dal sangue. Come primo passo, abbiamo dimostrato che l’urea, una delle tossine uremiche più importanti, può essere rimossa rapidamente e selettivamente da MXene dalla soluzione acquosa e dal dializzato esaurito. Inoltre, i test di emocompatibilità di donatori sani hanno dimostrato che MXene Ti3C2TX non ha alcun impatto significativo sulla coagulazione del sangue, sull’emolisi e sull’attivazione piastrinica, indicando che gli MXeni sono sicuri da usare per applicazioni a contatto con il sangue. 

Controllo della luce di MXenes 

Hai mai considerato di cosa è fatto uno specchio bidirezionale o un rivestimento antiriflesso? Come possiamo controllare la luce affinché funzioni nel modo che desideriamo? Oltre alla semplice trasmissione della luce, è stato dimostrato che gli MXeni mostrano proprietà di assorbimento saturabili nel vicino infrarosso (vicino IR), il che significa che l'assorbimento della luce diminuisce (la trasmissione della luce aumenta) con l'aumentare dell'intensità della luce. Questa proprietà è stata utilizzata per creare un diodo fotonico con fullereni (C₆₀), che funzionava trasmettendo la luce in modo diverso se osservato nelle direzioni avanti e indietro. Le proprietà di assorbimento saturabile possono essere applicate in applicazioni come i laser e sintonizzate quando sfruttiamo nanostrutture simili a dischi/pilastri a frequenze del vicino IR o terahertz.

Conduttori trasparenti

E se ogni finestra raccogliesse energia solare, fosse in grado di controllare la temperatura della stanza regolando il colore della finestra e facesse tutto senza sacrificare la visibilità? Nei regimi visibile e vicino IR, gli MXene trasmettono onde EM e la quantità di trasmissione dipende direttamente dalla composizione dell'MXene e dallo spessore del materiale presente. Ciò consente agli MXene di essere utilizzati come conduttori trasparenti nelle applicazioni di stoccaggio e visualizzazione dell'energia. Inoltre, il colore e la trasparenza del dispositivo cambiano in modo reversibile con il potenziale applicato consentendo di fabbricare dispositivi elettrocromici (e forse finestre!) con colori diversi. 

Le batterie agli ioni di litio sono già una tecnologia dominante nel settore dell’elettronica portatile e flessibile. Tuttavia, il costo e le riserve democratiche delle risorse di litio sollevano preoccupazioni per la futura elettrificazione e lo stoccaggio di energia su larga scala. Per andare “oltre la tecnologia agli ioni di litio” sono necessari elettrodi robusti per l’intercalazione (de)reversibile degli ioni metallici. Poiché gli MXeni offrono intercalazione spontanea di una varietà di cationi (Na+, K+, Mg+2, Zn+2, Ca+2 e Al+3), potrebbero essere potenziali alternative ai materiali convenzionali di carbonio e ossido di metallo per la progettazione di ibridi condensatori metallici e batterie multivalenti.

Possiamo ridimensionare i dispositivi di accumulo dell’energia per l’alimentazione della microelettronica?

L’attuale tendenza all’emergere dell’Internet delle cose (IOT) e alla miniaturizzazione della domanda elettronica per lo sviluppo di dispositivi di stoccaggio dell’energia su piccola scala. La produzione scalabile di dispositivi MXene su chip può offrire un'integrazione compatibile con microrobotica, sensori e impianti biomedici. Inoltre, il comportamento conduttivo trasparente e le proprietà di cambiamento di colore rendono MXenes adatti allo sviluppo di dispositivi di accumulo di energia trasparenti ed elettrocromici. Inoltre, MXenes può essere utilizzato per applicazioni flessibili e indossabili in cui i compositi MXene possono combinare i ruoli di capacità di stoccaggio, raccolta e rilevamento dell’energia.

Colloquio: 

D: Spiega il ruolo delle nanotecnologie nello sviluppo della tua organizzazione o dipartimento.

Sebbene molto sia cambiato dalla fondazione della Drexel University nel 1891, la missione originale dell'università è ancora vera oggi e l'introduzione e l'uso di nuove tecnologie sono in prima linea nelle iniziative della Drexel University. In quanto tale, la nanotecnologia fornisce una piattaforma per studenti e docenti per esplorare nuove ricerche interdisciplinari, mantenere una base di conoscenze all'avanguardia nello sviluppo dei programmi di studio e ulteriori opportunità di collaborazione regionale e internazionale.  

D: Che impatto ha avuto la nanotecnologia sui prodotti o servizi che fornite?

L'ascesa della nanotecnologia ha consentito nuovi progetti di ricerca collaborativa e di gruppo e ha rinvigorito il nostro curriculum di ingegneria. La nanotecnologia si è integrata con molte delle nostre attività di ricerca, curriculum e interessi dei docenti.    

D: Descrivi brevemente un progetto attuale che coinvolge la nanotecnologia e quale sarà il risultato previsto (nuovo processo, nuovo prodotto, ecc.)

Nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, il Prof. Adam Fontecchio e il suo studente laureato Jared Coyle stanno sviluppando una vernice fotovoltaica composta da goccioline di cristalli liquidi di dimensioni nanometriche disperse in un polimero. Questa "vernice solare" ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui alimenteremo le nostre case e i nostri veicoli in futuro. Stiamo attualmente esplorando metodi per incorporare il materiale fotovoltaico in vernici commerciali e residenziali, tegole per tetti e rivestimenti trasparenti per finestre sia di case che di veicoli. Una volta applicati, i prodotti trasformeranno le superfici attualmente estetiche in componenti attivi che migliorano la vita di tutti noi.    

D: Dove vedete che porteranno le applicazioni nanotecnologiche nel futuro? 

Le opportunità per le nanotecnologie sono infinite e abbracciano discipline tradizionali, attività interdisciplinari e progetti che coinvolgono combinazioni uniche di competenze non ancora previste. Nei prossimi vent’anni dovremmo aspettarci di vedere innovazioni nel campo delle energie rinnovabili, dell’acqua pulita, delle tecnologie informatiche e della biomedicina, solo per citarne alcune.      

D: Che consiglio daresti a qualcuno che volesse lavorare nella tua organizzazione tra 3-5 anni?  

Chiunque sia interessato alle nanotecnologie farebbe bene a seguire corsi di matematica, fisica e chimica. Inoltre, la partecipazione ad attività di ricerca legate alle nanotecnologie può fornire un buon background per il lavoro dei laureati nel settore. Vorrei anche suggerire agli studenti di tenersi al passo con le tendenze attuali della tecnologia: ci sono molte fonti di informazioni accessibili a tutti indipendentemente dal background o dall'istruzione tecnica, e alcune delle mie preferite da consigliare includono Cablato rivista, Il New York Times sezione tecnologica e Venerdì della scienza sulla Radio Pubblica Nazionale (disponibile sia come podcast che in diretta alla radio).

D: Quale settore ritieni sia stato finora maggiormente influenzato dalle nanotecnologie? Perché?

A questo punto l’impatto maggiore si è avuto nel campo biomedico. Nuovi prodotti farmaceutici per combattere il cancro, i virus e molte altre malattie sono il risultato della ricerca sulle nanotecnologie. Inoltre, metodi di nanocaratterizzazione come la microscopia a scansione di sonda, la microscopia elettronica a scansione e la spettroscopia e diffrazione a raggi X stanno fornendo indizi sui processi fondamentali dei sistemi biologici. Attualmente stiamo sperimentando progressi nell’analisi del DNA e nel sequenziamento del genoma umano, che offriranno nuove possibilità nella medicina individualizzata.

D: Quale settore ritieni abbia il maggiore potenziale futuro per essere influenzato dalla nanotecnologia? Perché?  

La crescita della nanotecnologia biomedica continuerà a crescere e ad avere un impatto su tutte le nostre vite. Allo stesso tempo, la generazione e lo stoccaggio di energia alternativa stanno vedendo progressi nella ricerca e nello sviluppo di base che cresceranno fino ad avere un impatto in tutto il mondo. Le attuali difficoltà economiche mondiali, oltre alle riserve limitate di petrolio, ci costringono a considerare nuove idee e tecniche per fornire energia elettrica attraverso il fotovoltaico; sistemi di recupero energetico basati su gradienti termici, energia vibrazionale e scarico termico dei rifiuti. Queste scoperte saranno guidate da una necessità globale e l’impatto delle nanotecnologie sull’energia alternativa sarà altrettanto grande di quello che stiamo vedendo attualmente nel campo biomedico.

(Fonte del contenuto: sito web della Drexel University, comunicati stampa e intervista.)