مقدمه

هنگامی‌که صحبت از فناوری نانو و کاربردهای آن می‌شود، ذهن بسیاری از متخصصین و فعالان این حوزه، به مواد ارزشمندی همچون گرافن با ویژگی‌های منحصربه‌فرد، جلب می‌شود. اما آیا در سال‌های اخیر، ماده نانویی جدید دیگری ظهور نیافته است؟ این مقاله، به معرفی ماده جدیدی به نام «MXene» می‌پردازد که شاید آینده‌ درخشانی همچون گرافن، در انتظار آن باشد. البته باید خاطر نشان نمود که کشف این ماده، نسبتاً جدید بوده و در مراحل نخستین توسعه و بسط ویژگی‌ها و کاربردها قرار دارد. به نظر می‌رسد که برای تجاری‌سازی کامل این ماده، نیاز به مسیری طولانی و پر پیچ و خم، از تلاش‌ها و کوشش‌های نوآورانه خیل عظیمی از محققین باشد.

«MXene» چیست؟

این ماده را می‌توان خانواده جدیدی از کاربیدها، کربونیتریدها و نیتریدهای فلزی دو بعدی دانست که برای نخستین بار، طی همکاری‌های تحقیقاتی پروفسور «Barsoum» و همکارانش کشف و توسعه یافت. طیف وسیعی از کاربردها برای «MXene» شناسایی شده است که از مهم‌ترین آن‌ها، می‌توان به سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، تداخل‌های الکترومغناطیسی «EMI»، تقویت کامپوزیت‌ها و همچنین، سیستم‌های تصفیه آب اشاره نمود. با توجه به انعطاف‌پذیری خوب و هدایت الکتریکی بالا، این ماده در مقایسه با تمامی مواد مصنوعی با ضخامت مشابه، بهترین عملکرد را به‌عنوان حفاظ‌های الکترومغناطیسی نشان می‌دهد. علاوه بر این، خواص ضد باکتریایی برای «MXene» شناسایی شده است که حتی در کاهش و از بین بردن سلول‌های باکتری زنده، می‌تواند بهره‌وری بالاتری از اکسید گرافن داشته باشد.

اولین نکته جالب در مورد «MXene»، نام‌گذاری این ماده است. این ماده، از نوعی کریستال توده‌ای به نام «MAX» تولید شده و پسوند «ene» مشابه با «Graphene» به انتهای آن افزوده شده است. شاید مهم‌ترین پرسش این باشد که چرا «Mxene» ارزشمند است؟ در پاسخ به این پرسش، باید به ویژگی‌های بسیار جالب این ماده اشاره نمود:

• این ماده در حالی که در دسته سرامیک‌ها قرار دارد، برخلاف بسیاری از آن‌ها، رسانایی الکتریکی خوبی داشته و همین ویژگی، توانمندی و قابلیت فراوانی را در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی ایجاد می‌کند.
• برخلاف گرافن آب‌دوست است و به همین دلیل، در بسیاری از کاربردها، می‌تواند یک ویژگی بسیار مثبت باشد.
• انعطاف‌پذیر، چکش‌خوار و نرم است. با توجه به این ویژگی، می‌توان آن را به اشکال پیچیده‌ای قالب‌گیری نمود. (استفاده به شکل لوله یا صفحه که برای ماده‌ای با رسانایی در حد فلزات، بسیار مطلوب خواهد بود.)
• یک ماده با ظرفیت خازنی بالا (تا 900 فاراد بر سانتی‌متر مکعب) است. می‌توان مدعی شد که این ماده، خازنی با حداقل 10 هزار بار چرخه شارژ به دست می‌دهد.

نکته دیگری که در ارتباط با «MXene» باید به آن توجه داشت، این واقعیت کلیدی است که این مواد، می‌توانند شامل میلیون‌ها آرایش از فلزات واسطه (مانند مولیبدن یا تیتانیوم)، کربن و نیتروژن باشند، اما باید آن‌هایی را که پایدار هستند، یافت.

«MAX» فازها

یک خانواده بزرگ از کاربیدهای سه‌تایی با فرمول عمومی «Mn+1AXn» وجود دارد، که در آن:

• «n» عددی بین یک تا سه می‌باشد.
• «M» نشان‌دهنده یک فلز واسطه است.
• «A» یک عنصر مانند آلومینیوم یا سیلیسیم است.
• «X» کربن یا نیتروژن است.

محققین این سرامیک‌های شکل‌پذیر و قابل ماشین‌کاری را «MAX» فازها نامیده‌اند. این مواد، به علت ساختار لایه‌ای خود، در هنگام تغییر شکل، ورقه ورقه می‌شوند و ترکیبی از خواص غیرمعمول و گاه منحصربه‌فردی بین خواص فلزات و سرامیک‌ها را نشان می‌دهند. به عنوان مثال، مشابه با فلزات، گرما و الکتریسیته را هدایت می‌کنند و مانند سرامیک‌ها، سخت، قوی، شکننده و مقاوم در برابر حرارت هستند. علاوه بر این، آن‌ها در برابر عوامل شیمیایی و شوک حرارتی و گاهی اوقات خستگی، خزش و اکسیداسیون نیز مقاوم هستند.

کشف «MXene»

ساختارهای دو بعدی مانند گرافن و دی سولفید مولیبدن، خواص منحصربه‌فردی دارند. بنابراین، کشف خانواده جدیدی از ساختارهای دو بعدی با طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی، راه را برای درک بهتر تفاوت‌های بین خواص مواد دو بعدی و سه بعدی باز می‌کند. این امر، منجر به شناسایی خواص مفید کاربیدها، نیتریدها، اکسی کاربیدها و سایر ساختارهای دو بعدی مرتبط می‌شود، و در نهایت، می‌تواند کاربردهای جدیدی را برای آن‌ها توسعه دهد.

طی سال‌های متمادی، «MAX» فازها مورد بررسی محققین و دانشمندان قرار گرفته‌اند و ده‌ها نوع کاربید، نیترید و کربونیترید لایه‌ای با خواص مختلف، سنتز شده‌اند. با این حال، این سرامیک‌ها همیشه به‌عنوان مواد سه بعدی تولید شده و یکی از اولین تجارب در تولید دو بعدی آن‌ها، به نانوصفحات «Ti3C2» باز می‌گردد. محققان در تلاش برای حذف آلومینیوم از پودر تیتانیوم آلومینیوم کاربید (Ti3AlC2)، آن را در دمای اتاق در اسید هیدروفلوئوریک قرار دادند. در نتیجه این فرآیند شیمیایی، که به آن لایه‌لایه کردن «Exfoliation» گفته می‌شود، نانو صفحات «Ti3C2» دو بعدی حاصل شد. از همان موقع، به این مواد به‌عنوان یکی از خویشاوندان گرافن، «MXene» گفته شد.

محققان دانشگاه درکسل، در مقاله‌ای که در سال 2011 میلادی در مجله «Advanced Materials» تحت عنوان «نانوکریستال‌های دو بعدی سنتز شده توسط لایه‌لایه کردن Ti3AlC2» چاپ کردند، برای نخستین بار، توانایی تبدیل تیتانیوم آلومینیوم کاربید سه بعدی را که نوعی «MAX» فاز رایج است، به یک ساختار دو بعدی با خواص بسیار متفاوت نشان دادند.

کاربردهای «MXene»

«MXene» را می‌توان در دستگاه‌های ذخیره انرژی، مانند باتری‌های لیتیوم یونی، ابرخازن‌ها و غیره استفاده نمود. محققان همچنین استفاده از آن را به‌عنوان تقویت‌کننده در کامپوزیت‌ها بررسی نموده‌اند که مانند خاک رس و گرافن، خواص مکانیکی را بهبود داده و نفوذپذیری گاز در پلیمر را کاهش می‌دهد. این ماده، همچنین به دلیل تنوع در شیمی سطح، حضور اکسید فلزات واسطه و سطح ویژه بالای آن، به‌طور بالقوه برای کاربردهای کاتالیزوری جذاب است. در ادامه با برخی از این کاربردها آشنا خواهیم شد:

1-      شیرین سازی آب و تصفیه پساب

خواص قابل‌توجه «MXene»، استفاده از آن را برای شیرین کردن آب و تصفیه پساب، ممکن نموده است. یافته‌ها نشان می‌دهند که «Ti3C2»، می‌تواند با بازدهی بسیار بالا، انرژی نور خورشید را برای خالص‌سازی آب از طریق تبخیر، استفاده نماید.

برای بررسی کاربرد این مواد در تصفیه آب، محققان یک غشای نازك و انعطاف‌پذیر «Ti3C2» ساختند که برای جلوگیری از اتلاف حرارتی، حاوی پلی استایرن است. این سیستم، می‌تواند در آب شناور شده و با نور خورشید، بخشی از آب را با راندمان 84 درصد تبخیر نماید.

2-     باتری و ذخیره‌سازی انرژی

«MXene»های خاصی که به‌طور کامل لایه‌لایه شده‌اند، لایه‌هایی با ظرفیت‌های استثنایی برای استفاده در آند باتری تولید می‌کنند. دانشمندان، ترکیب موفقیت‌آمیزی از این ماده را با چندین مولکول آلی، از جمله دی متیل سولفوکسید به دست آورده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا لایه‌های به هم چسبیده را به ورق‌های کاملاً مجزای «MXene» تبدیل نموده و در نهایت، با جدا کردن ورق‌ها از محلول، کاغذهای «MXene» را ایجاد نمایند. این کاغذ انعطاف‌پذیر و رسانا، ظرفیت لیتیوم یونی چهار برابری در مقایسه با مواد «MXene» معمولی داشته و در عین حال، با نرخ شارژ بسیار بالاتر از گرافیت که در باتری‌های لیتیوم یونی تجاری استفاده می‌شود، همراه است.

3-     نانوژنراتورهای تریبوالکتریک

از آنجا که «MXene» از رسانایی بالا و توانایی جذب الکترون در هنگام تماس با پلیمرها و سایر مواد برخوردار است، محققان نشان داده‌اند که این ماده، می‌تواند برای استفاده از انرژی اصطکاکی اتلاف شده، (به‌عنوان مثال، در انقباض عضلات در هنگام تایپ یا پیاده‌روی)، به کار برده شود.

ویژگی‌های فوق، این مواد را به اجزایی بسیار مفید برای نانوژنراتورهای تریبوالکتریک «TENG» تبدیل نموده که در تبدیل حرکات عضلانی به توان الکتریکی، کاربرد دارند. تحقیقات نشان می‌دهد که این مواد پیشرفته، می‌توانند در تلفن‌های همراه، وسایل الکترونیکی دستی، دستگاه‌های پوشیدنی و لپ‌تاپ‌ها تعبیه شده و باعث شوند که این دستگاه‌ها، انرژی لازم را خودشان تأمین نمایند.

4-     پوشش‌های رسانا

«MXene» برای تولید پوشش‌های رسانا و از نظر مکانیکی قوی که می‌تواند عملکرد خود را تحت کشش و خمش‌های سنگین حفظ نماید، مورد استفاده قرار گرفته است. پوشش‌های چندلایه «MXene»، می‌توانند تحت تغییر شکل‌های مکانیکی در مقیاس بزرگ قرار گیرند، در حالی که سطح بالایی از رسانایی را حفظ می‌کنند. محققان به‌طور موفقیت‌آمیزی پوشش‌های چندلایه «MXene» را روی ورق‌های پلیمری قابل‌انعطاف، سیلیکون‌های قابل کشش، فیبر نایلونی، شیشه و سیلیکون، لایه نشانی نموده‌اند.

5-     سنسورهای شیمیایی

تحقیقات نشان می‌دهد که «MXene»، یکی از حساس‌ترین حسگرهای گازی است که تا کنون گزارش شده است. این مواد، دامنه تشخیص گازها را گسترش داده و ما را قادر می‌سازند تا غلظت‌های بسیار پایین را که قبلاً قادر به تشخیص آن نبودیم، شناسایی کنیم. برای درک بهتر کاربردهای حاصل از این ویژگی منحصربه‌فرد، به این مثال توجه کنید که«MXene» می‌تواند گازهایی مانند آمونیاک و استون را که نشانه‌های زخم معده و دیابت هستند، در غلظت‌های بسیار پایین‌تر از حد تشخیص سنسورهایی که در حال حاضر در تشخیص پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شناسایی نماید. مزیت «MXene» نسبت به مواد سنسوری معمولی، در ساختار متخلخل و ترکیب شیمیایی آن است که اجازه می‌دهد، مولکول‌های گاز را به صورت انتخابی، بر سطح خود جذب نماید.

مرجع: «Nanowerk»