از صفحات دوبعدی تا نانولولههای رسانای فوقالعاده؛ MXene به بعد جدیدی رسید
پس از گذشت نزدیک به ۱۵ سال از شناسایی ماده نانویی دوبعدی و رسانای MXene محققان دانشگاه درکسل موفق به تولید نسخه یکبعدی این ماده شدند که نانوسکرول MXene نام گرفته است. این ساختارهای جدید، حدود ۱۰۰ برابر نازکتر از موی انسان هستند و رسانایی الکتریکی بالاتری نسبت به صفحات تخت MXene دارند.
به گزارش scitechdaily، محققان معتقدند که ویژگیهای منحصربهفرد این نانوسکرولها میتواند فناوریهایی همچون سیستمهای ذخیره انرژی، حسگرهای زیستی و الکترونیک پوشیدنی را متحول کند.
نتایج این تحقیقات اخیرا در نشریه Advanced Materials منتشر شده و روش تولید مقیاسپذیری را شرح میدهد که با استفاده از فلاکهای MXene معمولی و تبدیل آنها به نانوسکرولهای با شکل و ویژگیهای شیمیایی کنترلشده انجام میشود.
هندسه لولهای؛ کلید حرکت سریع یونها
یوری گوگوتسی، استاد برجسته مهندسی دانشگاه درکسل و یکی از نویسندگان مقاله میگوید: در حالی که ساختار دوبعدی در بسیاری از کاربردها اهمیت دارد، در برخی موارد ساختار یکبعدی مزایای بیشتری دارد. مثل مقایسه صفحات فولادی با لولهها یا میلگردها؛ برای ساخت بدنه خودرو نیاز به صفحات است، اما برای هدایت آب یا تقویت بتن، لولهها و میلههای طولانی لازم است.
وقتی صفحات تخت MXene به شکل نانوسکرول درمیآیند مادهای توخالی و لولهای شکل ایجاد میشود که در مقیاس نانو مشابه عملکرد لولهها عمل میکند. این ساختارها میتوانند پلیمرها یا فلزات را تقویت کرده و یونها را در باتریها یا غشاهای تصفیه آب با مقاومت کمتر هدایت کنند.
تنگ ژانگ، پژوهشگر پسادکتری و همکار مقاله توضیح میدهد: در MXeneهای دوبعدی معمولی، فلاکها روی هم قرار میگیرند و مسیر حرکت یونها یا مولکولها محدود و دشوار میشود. با تبدیل این صفحات به نانوسکرول این محدودیت از بین میرود و هندسه لولهای مسیرهای آزاد برای حرکت سریع یونها ایجاد میکند.
MXene جایگزینی فراتر از گرافن
در حالی که نانوساختارهای لولهای از گرافن مانند نانولولهها و نانوسکرولهای گرافن، پیش از این مورد مطالعه قرار گرفتهاند، تولید نانوسکرولهای مشابه از MXene چالشبرانگیز بوده است. با وجود قابلیتهای شیمیایی گستردهتر، فرآیند آسانتر و رسانایی بالاتر MXene نسبت به گرافن، تلاشهای قبلی معمولا به مواد با کیفیت پایین یا ناسازگار منجر میشد.
در این روش تولید نانوسکرولها با فلاکهای چندلایه MXene آغاز میشود. با کنترل دقیق محیط شیمیایی، سطح فلاکها با آب تغییر داده میشود تا عدم تقارن ساختاری ایجاد شود. این عدم تقارن تنش شبکهای در لایهها ایجاد کرده و باعث میشود لایهها از هم جدا شده و به شکل نانوسکرولهای لولهای پیچیده شوند.
محققان موفق شدند نانوسکرولها را از شش نوع MXene مختلف از جمله دو نوع کاربید تیتانیوم، نایوبیم کاربید، وانادیم کاربید، تانتالوم کاربید و تیتانیوم کربونیترید تولید کنند و حدود ۱۰ گرم ماده با ساختار یکسان و ترکیب قابل تنظیم به دست آورند.
کاربرد در حسگرها و مواد مرکب پیشرفته
هندسه نانوسکرولها علاوه بر رسانایی و استحکام، مزایای عملکردی جدیدی ایجاد میکند که به ویژه در حسگرها و مواد مرکب مفید است. گوگوتسی میگوید: در ساختار دوبعدی معمولی، سایتهای فعال جذب مولکولها اغلب بین لایهها پنهان هستند اما ساختار توخالی نانوسکرول دسترسی آسانی به سطح MXene فراهم میکند و سیگنال قوی و پایداری ایجاد میکند.
همچنین نانوسکرولها قابلیت تقویت پلیمرهای نرم در الکترونیک پوشیدنی را دارند، به طوری که رسانایی الکتریکی حتی در هنگام کشش و خم شدن حفظ میشود.
جهتگیری با میدان الکتریکی برای نساجی عملکردی
محققان دریافتند که در محلول، جهتگیری نانوسکرولها با میدان الکتریکی قابل کنترل است. این قابلیت امکان تولید پوششهای رسانای مستحکم روی الیاف نساجی عملکردی را فراهم میکند.
نانوسکرولهای نایوبیم کاربید امکان دستیابی به ابررسانایی در فیلمهای انعطافپذیر را برای نخستین بار فراهم کردند. این کشف میتواند مسیر توسعه حسگرها و اتصالات ابررسانا در دمای محیط و مواد کوانتومی قابل استفاده را هموار کند.
محققان دانشگاه درکسل امیدوارند با ادامه بررسی خواص کوانتومی و رفتار قابل کنترل این نانوسکرولها بتوانند کاربردهای عملی گستردهای در زمینه ذخیره انرژی، حسگرها و الکترونیک پیشرفته ایجاد کنند.
انتهای پیام/
