فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه درکسل روش نوآورانه‌ای برای تبدیل نانومواد رسانای MXene به ساختارهای یک‌بعدی ابداع کرده‌اند که عملکرد باتری‌ها، حسگرهای زیستی و دستگاه‌های پوشیدنی الکترونیکی را به طور چشمگیری ارتقا می‌دهند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این تیم تحقیقاتی فرایندی را ابداع کرده‌اند که ورقه‌های دو بعدی MXene را به لوله‌های فوق‌نازکی موسوم به «نانورول‌های MXene» تبدیل می‌کنند. این نانورول‌ها حدود ۱۰۰ برابر نازک‌تر از موی انسان هستند و نسبت به ورقه‌های مسطح، هدایت الکتریکی به مراتب بهتری ارائه می‌کنند.
MXene طی بیش از یک دهه به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و تنوع شیمیایی گسترده، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. با وجود این، تولید ساختارهای یک‌بعدی با کیفیت بالا تا پیش از این چالش بزرگی محسوب می‌شد. پژوهشگران تاکید می‌کنند که شکل ماده نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد آن دارد. در حالی که ساختارهای مسطح در بسیاری از سیستم‌ها مناسب هستند، اما شکل‌های یک‌بعدی مزایایی برای کاربردهایی دارند که نیازمند انتقال سریع یون‌ها یا تقویت مکانیکی هستند.
حتما بخوانید: نانومواد مغناطیسی و امید تازه برای درمان سرطان استخوان
فرایند تولید نانورول‌های MXene
یوری گوگوتسی، استاد برجسته دانشگاه و استاد باخ در دانشکده مهندسی درکسل می‌گوید: «دو بعدی بودن در بسیاری از کاربردها اهمیت دارد، اما در برخی موقعیت‌ها، شکل یک‌بعدی برتر است. این مقایسه مانند ورقه‌های فولادی در برابر لوله‌ها یا میلگردها است.» با پیچاندن ورقه‌های MXene به شکل لوله، ساختارهای توخالی ایجاد می‌شوند که مسیر حرکت یون‌ها را آزادتر می‌کنند و در عین حال می‌توانند پلیمرها یا فلزات را تقویت نمایند.
تنگ ژانگ، پژوهشگر پسا‌دکترا در دانشگاه درکسل توضیح می‌دهد: «در MXeneهای دو بعدی استاندارد، ورقه‌ها روی یکدیگر قرار می‌گیرند و مسیر حرکت یون‌ها یا مولکول‌ها محدود و پیچیده می‌شود. با تبدیل این ورقه‌های دو بعدی به نانورول‌های یک‌بعدی، اثر محدودیت نانویی از بین می‌رود و انتقال بهینه می‌شود.»
بیشتر بخوانید: آینده درمان با یک تزریق؛ نانوذرات جایگزین تزریق‌های چند ساعته می شوند
فرایند کنترل‌شده تولید نانورول‌های MXene با ورقه‌های چندلایه آغاز می‌شود. پژوهشگران با تنظیم دقیق محیط شیمیایی به کمک آب، واکنش سطحی مواد را تغییر دادند. این مرحله باعث ایجاد ناپایداری ساختاری موسوم به واکنش جانوس شد. تنش داخلی حاصل، لایه‌ها را از هم جدا کرد و به شکل رول‌های محکم و منظم درآورد. این روش روی شش نوع مختلف MXene، شامل کاربید تیتانیوم، نایوبیم، وانادیوم، تانتالوم و تیتانیوم کاربونیترید آزمایش شد و نتایج همگی یکسان و قابل اعتماد بودند. پژوهشگران توانستند تا ۱۰ گرم نانورول با شکل و ترکیب کنترل‌شده تولید کنند؛ در حالی که روش‌های پیشین اغلب ساختارهایی نامنظم یا آسیب‌دیده ایجاد می‌کردند.
برای مطالعه بیشتر: انقلاب در مهار تداخل الکترومغناطیسی با یک نانوسیم جدید
تاثیر بر عملکرد باتری‌ها و حسگرها
شکل لوله‌ای نانورول‌ها سطح فعال بیشتری نسبت به ورقه‌های متراکم MXene فراهم می‌آورد و دسترسی یون‌ها و مولکول‌ها را تسهیل می‌کند؛ این یک ویژگی حیاتی برای باتری‌ها و حسگرهای شیمیایی محسوب می‌شود. گوگوتسی می‌گوید: «در ساختارهای دو بعدی متراکم، سایت‌های فعال جذب مولکول‌ها اغلب بین لایه‌ها مخفی می‌مانند. ساختار توخالی و باز نانورول‌ها این محدودیت را از بین می‌برد و دسترسی به سطح MXene را تسهیل می‌کند.» علاوه بر این، پژوهشگران دریافتند که میدان‌های الکتریکی می‌توانند جهت‌گیری نانورول‌ها در محلول را کنترل کنند؛ قابلیتی که امکان چیدمان آنها در فیبرها یا پارچه‌ها را فراهم می‌سازد. ژانگ توضیح می‌دهد: «می‌توان تصور کرد میلیون‌ها لوله که ۱۰۰ برابر نازک‌تر از موی انسان هستند را هدایت کرد تا سیم بسازند یا به صورت عمودی قرار گیرند و یک برس تشکیل دهند.» همچنین ابررسانایی در فیلم‌های انعطاف‌پذیر ساخته‌شده از نانورول‌های کاربید نایوبیم مشاهده شد و تیم قصد دارد مکانیزم فیزیکی این پدیده را به طور دقیق‌تر بررسی کند.
این تحقیق در نشریه Advanced Materials منتشر شده است.
