نانومواد دو بعدی انقلابی به ابعاد جدیدی تبدیل می شود

نانوطومارهای MXene مواد دوبعدی مسطح را به ساختارهای یک بعدی رسانا تبدیل می‌کند و پیشرفت‌هایی را در ذخیره‌سازی انرژی، حسگرها، پوشیدنی‌ها و ابررسانایی باز می‌کند.

تقریباً 15 سال پس از شناسایی یک نانومواد رسانای دو بعدی چند منظوره به نام MXene، محققان دانشگاه درکسل روشی را برای ایجاد همتای تک بعدی آن به نام MXene Nanoscroll معرفی کردند. این ساختارهای جدید حدود 100 برابر نازک‌تر از موی انسان هستند و حتی رسانایی الکتریکی بیشتری نسبت به ورق‌های مسطح MXene دارند. این تیم بر این باور است که ویژگی‌های منحصر به فرد آن‌ها می‌تواند فناوری‌هایی مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، حسگرهای زیستی و لوازم الکترونیکی پوشیدنی را بهبود بخشد.

نتایج اخیراً در مجله منتشر شده است مواد پیشرفته و یک تکنیک ساخت مقیاس پذیر را توصیف می کند که با تکه های معمولی MXene شروع می شود و آنها را به طومارهایی با اشکال و ویژگی های شیمیایی کاملاً کنترل شده تبدیل می کند.

هندسه لوله ای انتقال یون سریعتر را باز می کند

یوری گوگوتسی، دکترا، دانشگاه ممتاز و استاد باخ در کالج مهندسی درکسل، که نویسنده مسئول مقاله بود، گفت: “مورفولوژی دو بعدی در بسیاری از کاربردها بسیار مهم است. با این حال، برنامه هایی وجود دارد که مورفولوژی 1 بعدی بهتر است.” “مثل مقایسه ورق های فولادی با لوله های فلزی یا میلگرد است. برای ساخت بدنه خودرو به ورق نیاز دارید، اما برای پمپاژ آب یا تقویت بتن به لوله ها یا میله های بلند نیاز دارید.”

هنگامی که ورقه های مسطح MXene به سیم پیچ پیچیده می شوند، نتیجه یک ماده توخالی و لوله مانند است که بسیار کوچکتر از لوله های معمولی است اما نقش مشابهی را در مقیاس نانو. این ساختارها می توانند پلیمرها یا فلزات را تقویت کرده و یون ها را از طریق باتری ها یا غشاها برای نمک زدایی آب با مقاومت بسیار کمتر هدایت کنند.

Teng Zhang، PhD، محقق فوق دکتری در کالج مهندسی که یکی از نویسندگان این مطالعه است، می گوید: «با MXen های استاندارد دوبعدی، تکه ها صاف روی هم قرار می گیرند، که فضای محدود و مسیری دشوار برای حرکت یون ها یا مولکول ها به داخل و خارج از لایه ها ایجاد می کند. با تبدیل نانوصفحات دوبعدی به سیم‌پیچ‌های یک‌بعدی، از این اثر نانوتله‌گیری جلوگیری می‌کنیم. هندسه باز و لوله‌ای به طور موثر «بزرگراه‌هایی» را برای انتقال سریع ایجاد می‌کند و به یون‌ها اجازه می‌دهد آزادانه حرکت کنند.»

غلبه بر محدودیت های گرافن با شیمی MXene

نانوساختارهای لوله مانند ساخته شده از گرافنمانند نانولوله‌های کربنی و نانوطومارهای گرافن، در حال حاضر به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با این حال، تولید طومارهای قابل مقایسه از MXenes دشوار بود. اگرچه MXene ها شیمی انعطاف پذیرتر، پردازش آسان تر و رسانایی بالاتر نسبت به گرافن ارائه می دهند، تلاش های قبلی اغلب منجر به مواد ناسازگار یا با کیفیت پایین می شد.

فرآیند ایجاد نانوطومارها با یک تکه چندلایه MXene به عنوان پیش ساز آن شروع می شود. با کنترل شدید محیط شیمیایی، محققان از آب برای تغییر شیمی سطح پوسته ها استفاده کردند. این یک عدم تقارن ساختاری به نام واکنش ژانوس ایجاد می کند که باعث ایجاد کرنش شبکه در لایه های پوسته می شود. بر اثر آزاد شدن استرس داخلی، لایه ها جدا می شوند و به شکل سیم پیچ های لوله ای محکم می پیچند.

با استفاده از این رویکرد، محققان با موفقیت نانوطومارهایی را از شش MXen مختلف، از جمله دو شکل کاربید تیتانیوم به همراه کاربید نیوبیم، کاربید وانادیم، کاربید تانتالم و کربنیترید تیتانیوم تولید کردند. در هر مورد توانستند حدود 10 گرم ماده با ساختار ثابت و ترکیب قابل تنظیم تولید کنند.

عملکرد سنسور و کامپوزیت بهبود یافته است

علاوه بر رسانایی و استحکام، هندسه مارپیچ مزایای عملکردی جدیدی به MXenes می دهد که به ویژه برای کاربردهای سنجش و کامپوزیت های پیشرفته مفید است.

گوگوزی گفت: «در یک ساختار استاندارد دو بعدی، مکان‌های فعال برای جذب مولکولی اغلب بین لایه‌ها پنهان می‌شوند و دسترسی مولکول‌ها، به‌ویژه مولکول‌های زیستی بزرگ را دشوار می‌کنند.» ساختار باز و توخالی سیم‌پیچ این مشکل را با امکان دسترسی آسان آنالیت‌ها به سطح MXene حل می‌کند. همراه با رسانایی بالای ماده و سفتی مکانیکی، این تضمین می‌کند که سیگنال قوی و پایداری دریافت کنیم. به این ترتیب، ما استفاده از سیم‌پیچ‌ها را در حسگر زیستی تصور می‌کنیم. همان سطح قابل دسترسی از سیم‌پیچ‌ها در حسگرهای زیستی. دسترسی مولکول ها به سطوح.”

محققان همچنین پتانسیل قوی در لوازم الکترونیکی پوشیدنی، که گاهی اوقات دستگاه های یوترونیک نامیده می شوند، می بینند. سیم پیچ های MXene می توانند پلیمرهای نرم را در عین حفظ رسانایی الکتریکی تقویت کنند. فرم سفت و سخت آنها به آنها اجازه می دهد تا به طور ایمن در مواد انعطاف پذیر جاسازی شوند و به ایجاد کامپوزیت های کششی کمک می کند که در طول خم شدن و حرکت به صورت الکتریکی متصل می شوند.

تراز میدان الکتریکی برای منسوجات کاربردی

محققان همچنین دریافتند که در محلول، جهت گیری نانوکویل ها را می توان با یک میدان الکتریکی کنترل کرد. این کشف به این معنی است که آنها می توانند به راحتی با محور الیاف در منسوجات کاربردی هماهنگ شوند تا پوشش رسانا بادوامتری تولید کنند.

ژانگ گفت: «تصور کنید میلیون‌ها لوله را که 100 برابر نازک‌تر از موی انسان هستند دستکاری کنید تا سیمی بسازند یا به صورت عمودی بایستند تا قلم مو بسازند. این نانوتکنولوژی واقعی است، زیرا ما می‌توانیم ماده را در مقیاس نانو دستکاری کنیم. این یک پیشرفت حیاتی برای منسوجات کاربردی است، زیرا سیم‌پیچ‌ها می‌توانند به عنوان مواد تقویت‌کننده در الیاف مصنوعی گنجانده شوند.»

این تیم قصد دارد این رفتار قابل کنترل را همراه با خواص کوانتومی نانوسیم‌ها، از جمله توانایی آنها در پشتیبانی از ابررسانایی، بررسی کند.

گوگوزی گفت: «تا به حال، ابررسانایی در این کلاس از MXen ها به گلوله های فشرده ذرات و پودر محدود می شد و هرگز در فیلم های پردازش شده با محلول با انعطاف مکانیکی مشاهده نشده بود. “با استفاده از طومارهای کاربید نیوبیم، ما تغییر ماده را به اندازه کافی مشاهده کردیم تا برای اولین بار ابررسانایی را در فیلم‌های ماکروسکوپی آزاد فعال کنیم. فرآیند پیمایش یک کرنش و انحنای شبکه‌ای خاص را معرفی می‌کند که در ورق‌های مسطح وجود ندارد. در حالی که مکانیسم فیزیکی دقیق هنوز تحت بررسی است، ما فرض می‌کنیم که این ساختار را تثبیت می‌کند. دولت.”

از کنجکاوی آزمایشگاهی تا مواد کوانتومی عملی

اثرات کوانتومی در نانومواد به دلیل پتانسیل آنها برای پیشبرد محاسبات و ذخیره سازی داده ها، توجه فزاینده ای را به خود جلب کرده است. برای محققان Drexel، این کار گام مهمی در تبدیل ابررسانایی MXene از یک مشاهده آزمایشگاهی به یک ویژگی ماده قابل استفاده است.

ژانگ گفت: با استفاده از روش‌هایی که در این مقاله توضیح داده شد، اکنون می‌توانیم MXen‌های ابررسانا را به فیلم‌ها، پوشش‌ها یا سیم‌های انعطاف‌پذیر در دمای اتاق برای اتصالات ابررسانا یا حسگرهای کوانتومی پردازش کنیم. ما انتظار داریم و بسیاری از پدیده های جالب دیگر ناشی از اسکرول را بررسی خواهیم کرد.»

مرجع: “سنتز مقیاس پذیر طومارهای MXene” توسط Teng Zhang، Benjamin Chacon، Danzhen Zhang، Aidan Cotton، Yihui Zhang، Yuan Zhang، Stefano Ippolito، Francesca Urban، Tetiana Parker، Lingyi Bi، Kateryna Shevchuk، Kyle Matthews، Eric A.2.2. مواد پیشرفته.
DOI: 10.1002/adma.202521457

این تحقیق توسط وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شده است.

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.