مواد MXene از خانواده مواد دوبعدی هستند که از لایههایی بسیار نازک، در مقیاس اتمی، تشکیل شدهاند. این مواد به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و قابلیت برهمکنش آسان سطح آنها با مواد و ترکیبات مختلف، توجه گستردهای را در حوزههای گوناگون به خود جلب کردهاند. از ساخت تجهیزات الکترونیکی و سامانههای رایانشی پیشرفته گرفته تا کاتالیز و تولید پوششهای پیشرفته برای صنایع هوافضا، MXeneها بهعنوان گزینهای امیدوارکننده مطرح شدهاند.
با این حال، یکی از موانع مهم در مسیر استفاده گسترده از این مواد، فرایند دشوار و زمانبر تولید آنها بوده است. اکنون پژوهشگران آزمایشگاه جیمز تور (James Tour) در دانشگاه رایس (Rice University) روشی ارائه کردهاند که میتواند زمان تولید MXene را بهشدت کاهش دهد. در این روش، ماده دوبعدی موردنظر در کمتر از ۳۰ ثانیه از ماده اولیه خود تولید میشود.
نتایج این پژوهش در مجله Nature Synthesis و در مقالهای با عنوان «گرمایش فلش ژولی برای سنتز سریع MXene» منتشر شده است.
روش متداول تولید MXene معمولاً با مادهای به نام فاز MAX آغاز میشود. فازهای MAX ساختارهایی لایهای دارند که در آنها لایههای فلزات واسطه در دو طرف لایهای از یک عنصر دیگر قرار گرفتهاند. برای درک سادهتر این ساختار، میتوان آن را به یک ساندویچ تشبیه کرد؛ بهطوریکه دو لایه بیرونی مانند دو برش نان و لایه میانی مانند ماده داخل ساندویچ عمل میکند.
برای تبدیل فاز MAX به MXene، باید لایه میانی بهصورت انتخابی حذف شود و در سطح ماده، گروههایی قرار گیرند که قابلیت برهمکنش بیشتری با مواد و ترکیبات دیگر دارند. این فرایند در روشهای سنتی از طریق اچینگ شیمیایی در فاز مایع انجام میشود.
در این روش، از اسیدهای بسیار خورنده، از جمله اسید هیدروفلوئوریک، برای حلکردن تدریجی لایه میانی استفاده میشود. مشکل اینجاست که فرایند حذف لایهها ممکن است ساعتها یا حتی روزها طول بکشد. علاوه بر زمان طولانی، این روش میتواند مقادیر قابلتوجهی هیدروژن فلوراید سمی تولید کند که مدیریت و دفع آن نیازمند تمهیدات ایمنی ویژه است.
همین محدودیتها باعث شدهاند هزینه تولید MXene بالا باقی بماند و دسترسی به این مواد نیز در مقیاس گسترده با چالش مواجه شود.
پژوهشگران دانشگاه رایس برای حل این مشکل، رویکردی کاملاً متفاوت را آزمایش کردهاند. شیچن شو (Shichen Xu)، پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه تور و نویسنده نخست مقاله، پس از مطالعه یک پژوهش درباره فرایند ۱۲ تا ۲۴ ساعته اچینگ MXene، این پرسش را مطرح کرد که آیا میتوان از فناوری گرمایش فلش ژولی برای شتابدادن به این فرایند استفاده کرد یا خیر.
پاسخ آزمایش اولیه، به گفته او، مثبت بود؛ آن هم از همان نخستین آزمایش.
گرمایش فلش ژولی روشی است که در آن ماده در مدت بسیار کوتاهی تا دماهای بالا گرم میشود. پژوهشگران در این مطالعه بهجای انجام اچینگ در یک محیط مایع اسیدی، به سراغ اچینگ در فاز گازی رفتند. آنها ابتدا ماده MAX را با سرعت بسیار زیاد گرم کردند و سپس مخلوطی از گاز کلر و تترافلوئورومتان را وارد فرایند کردند.
این مخلوط گازی با فاز MAX واکنش نشان داد و لایههای آلومینیوم را بهصورت انتخابی حذف کرد. در نتیجه، ماده اولیه به MXene تبدیل شد. مهمترین نکته اینکه کل این فرایند در کمتر از ۳۰ ثانیه انجام گرفت.
این کاهش زمان از چندین ساعت به چند ده ثانیه، تنها مزیت روش جدید نیست. حذف محیط اسیدی و استفاده از گازها میتواند در یک فرایند صنعتی کنترلشده، خطرات مربوط به کار با مواد خورنده و تولید پسماندهای سمی را نیز کاهش دهد.
به گفته شو، استفاده از فاز گازی نهتنها فرایند را سریعتر میکند، بلکه امکان کنترل دقیقتر آن را نیز فراهم میسازد. پژوهشگران میتوانند ترکیب گازها و مدتزمان تماس را تغییر دهند و از این طریق، میزان اچینگ را کنترل کنند.
این قابلیت کنترل در تولید MXene اهمیت ویژهای دارد. ساختار این مواد از لایههایی تشکیل شده که ضخامت هرکدام تنها چند اتم است. بنابراین، حذف لایه میانی باید با دقت بسیار بالایی انجام شود. اگر فرایند اچینگ بیش از اندازه شدید باشد، ممکن است به لایههای فلزی موردنظر نیز آسیب وارد شود و کیفیت محصول نهایی کاهش پیدا کند.
روش جدید در آزمایشها، تفاوتهایی را در میزان کارایی و انتخابپذیری هنگام حذف لایه میانی نشان داد. همین موضوع امکان کنترل بیشتر بر فرایند اچینگ را فراهم میکند. در واقع، پژوهشگران تلاش کردهاند به جای آنکه تمام ساختار ماده را در معرض یک فرایند شیمیایی طولانی قرار دهند، تنها بخش موردنظر را با دقت بیشتری هدف قرار دهند.
از دیدگاه جیمز تور، این پژوهش نمونه دیگری از انعطافپذیری فناوری گرمایش فلش ژولی است. آزمایشگاه او پیشتر از این روش برای تبدیل سریع مواد اولیه به محصولات مختلف استفاده کرده بود و اکنون همین رویکرد برای تولید MXene نیز به کار گرفته شده است.
اهمیت این دستاورد زمانی بیشتر مشخص میشود که کاربردهای گسترده MXene را در نظر بگیریم. رسانایی الکتریکی بالا، ساختار لایهای و سطح واکنشپذیر این مواد، آنها را به گزینهای جذاب برای تجهیزات الکترونیکی، حسگرها، کاتالیزورها و پوششهای پیشرفته تبدیل کرده است. در صنعت هوافضا نیز پوششهای مبتنی بر مواد دوبعدی میتوانند برای ایجاد ویژگیهای عملکردی جدید در سطوح مختلف مورد توجه قرار گیرند.
با این حال، افزایش سرعت سنتز بهتنهایی برای تجاریسازی یک ماده کافی نیست. یکنواختی محصول، کنترل کیفیت، هزینه مواد اولیه، مدیریت گازهای فرایندی و امکان تکرارپذیری در مقیاس بزرگ از جمله عواملی هستند که باید در مراحل بعدی توسعه فناوری مورد بررسی قرار گیرند.
با وجود این چالشها، کاهش زمان سنتز از ساعتها به کمتر از ۳۰ ثانیه یک تغییر مهم در فرایند تولید MXene محسوب میشود. اگر این روش بتواند در مقیاس صنعتی نیز عملکرد خود را حفظ کند، ممکن است یکی از موانع اصلی بر سر راه تولید انبوه این مواد دوبعدی را از میان بردارد.
در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که گاهی برای سرعتبخشیدن به یک فرایند قدیمی، لازم نیست همان مسیر را کمی بهتر کنیم؛ گاهی باید اساساً از مایع به گاز برویم و از ساعتها انتظار به چند ثانیه برسیم. بشر ظاهراً بالاخره یاد گرفته است که بعضی واکنشهای شیمیایی را مجبور به رعایت حوصله خودش نکند.