MXeneها از خانواده مواد دوبعدی هستند که از لایههای بسیار نازک فلزی در مقیاس اتمی تشکیل شدهاند. این مواد به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و سطحی که بهراحتی میتواند با مواد و مولکولهای دیگر برهمکنش کند، در سالهای اخیر به یکی از گزینههای جذاب برای نسل آینده فناوریهای الکترونیکی، سامانههای ذخیره و انتقال انرژی، کاتالیزورها و پوششهای پیشرفته تبدیل شدهاند.
بااینحال، یکی از موانع مهم در مسیر استفاده گسترده از MXeneها، فرایند تولید طولانی و پرهزینه آنها بوده است. روشهای متداول تولید این مواد معمولاً به اچکردن شیمیایی در فاز مایع متکی هستند؛ فرایندی که میتواند ساعتها یا حتی روزها طول بکشد و به استفاده از مواد شیمیایی بسیار خطرناک نیاز داشته باشد.
اکنون گروه پژوهشی جیمز تور (James Tour) در دانشگاه رایس، روشی را معرفی کرده است که میتواند این معادله را تغییر دهد. نتایج این مطالعه در مجله نیچر سنتسیس (Nature Synthesis) منتشر شده است.
در روش متداول، برای تولید MXene معمولاً از مادهای به نام فاز MAX بهعنوان ماده اولیه استفاده میشود. فازهای MAX ساختار لایهای دارند و از لایههای یک فلز واسطه تشکیل شدهاند که در میان آنها لایهای از عنصر دیگری قرار گرفته است.
برای درک سادهتر ساختار این ماده، میتوان آن را به یک ساندویچ تشبیه کرد. در یک نمونه، لایههای تیتانیوم و کربن مانند دو تکه نان عمل میکنند و لایهای از آلومینیوم در میان آنها مانند ماده میانی ساندویچ قرار میگیرد. برای تبدیل این ساختار به MXene، باید لایه آلومینیوم بهطور انتخابی حذف شود، در حالی که لایههای اصلی فلزی تا حد امکان دستنخورده باقی بمانند.
در روشهای متداول، این کار با استفاده از اسیدها انجام میشود. اسید بهتدریج لایه میانی را حل میکند و پس از چند مرحله اچکردن، ساختار سطحی موردنظر نیز روی MXene ایجاد میشود. مشکل اینجاست که چنین فرایندی زمان زیادی میبرد و میتواند مقدار قابلتوجهی هیدروژن فلوراید سمی تولید کند.
همین مسئله جرقه ایده روش جدید را زد. شیچن شو (Shichen Xu)، پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه تور و نویسنده نخست مقاله، پس از مطالعه پژوهشی درباره یک فرایند ۱۲ تا ۲۴ ساعته برای اچکردن MXene، به این فکر افتاد که آیا فناوری گرمایش فلش ژول میتواند این فرایند را بهشدت سریعتر کند یا خیر.
آزمایش نخست نتیجهای فراتر از انتظار داشت: روش جدید همان بار اول کار کرد.
از اسید مایع تا واکنش گازی
تفاوت اصلی فناوری جدید با روشهای مرسوم در این است که پژوهشگران بهجای اچکردن در فاز مایع، از اچکردن در فاز گاز استفاده کردند.
در ابتدا ماده MAX تحت گرمایش بسیار سریع قرار میگیرد. این گرمایش با استفاده از فناوری گرمایش فلش ژول (Flash Joule Heating) انجام میشود؛ روشی که میتواند ماده را در مدتزمان بسیار کوتاهی به دماهای بالا برساند.
پس از آن، ترکیبی از گاز کلر و تترافلوئورومتان به سامانه وارد میشود. این گازها با فاز MAX واکنش میدهند و لایههای آلومینیوم را بهطور انتخابی از ساختار حذف میکنند. در نتیجه، ماده اولیه در مدت بسیار کوتاهی به MXene تبدیل میشود.
کل این فرایند کمتر از ۳۰ ثانیه طول میکشد.
این زمان را اگر با روشهای متداول مقایسه کنیم، اهمیت دستاورد روشنتر میشود. فرایندی که پیشتر به ۱۲ تا ۲۴ ساعت یا حتی بیشتر زمان نیاز داشت، اکنون در حد چند ده ثانیه انجام میشود. به بیان دیگر، پژوهشگران توانستهاند زمان تولید را چندین مرتبه بزرگی کاهش دهند.
اما سرعت تنها مزیت این روش نیست.
یکی از مشکلات اچکردن در مقیاس اتمی این است که لایه موردنظر باید حذف شود، بدون آنکه ساختارهای مجاور آسیب جدی ببینند. وقتی ضخامت هر لایه تنها چند اتم است، حتی یک واکنش شیمیایی کنترلنشده میتواند به ساختار اصلی ماده آسیب بزند و کیفیت MXene نهایی را کاهش دهد.
روش گازی جدید امکان کنترل بیشتری بر این فرایند فراهم میکند. پژوهشگران میتوانند ترکیب گازها و مدتزمان تماس آنها با ماده را تغییر دهند و از این طریق میزان و شدت اچکردن را تنظیم کنند.
شیچن شو میگوید تغییر از فرایند مایع به گاز نهتنها سرعت تولید را افزایش میدهد، بلکه کنترلپذیری فرایند را نیز بیشتر میکند.
این کنترل دقیق برای تولید MXene اهمیت زیادی دارد، زیرا هدف تنها حذف لایه میانی نیست؛ بلکه باید این کار با گزینشپذیری بالا انجام شود. لایههای فلزی اطراف باید تا حد امکان سالم بمانند تا ساختار دوبعدی موردنظر شکل بگیرد.
از سوی دیگر، حذف استفاده طولانیمدت از اسیدهای خطرناک میتواند مزایای مهمی برای ایمنی و مدیریت پسماند داشته باشد. در روشهای متداول، استفاده از هیدروفلوریک اسید و تولید هیدروژن فلوراید از چالشهای جدی فرایند است. در روش جدید، جایگزینی اچکردن اسیدی طولانی با یک فرایند گازی بسیار کوتاه میتواند خطرات عملیاتی و حجم پسماندهای سمی را در یک فرایند تولیدی که بهدرستی کنترل شود، کاهش دهد.
MXene سریعتر، کنترلپذیرتر و مقیاسپذیرتر
اهمیت این دستاورد فقط به کاهش زمان تولید محدود نمیشود. پژوهشگران معتقدند فناوری گرمایش فلش ژول میتواند مسیر را برای تولید سریعتر و مقیاسپذیرتر MXeneها هموار کند.
جیمز تور، استاد شیمی دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مقاله، تأکید میکند که این مطالعه انعطافپذیری و قابلیت استفاده از گرمایش فلش ژول را در یک کاربرد جدید نشان میدهد. از نگاه او، ترکیب گرمایش فوقسریع با اچکردن گازی میتواند شیوهای سریعتر، کنترلپذیرتر و مناسبتر برای تولید گسترده MXeneها ایجاد کند.
MXeneها به دلیل ویژگیهای الکتریکی و سطحی منحصربهفرد خود، در حوزههای مختلف مورد توجه هستند. دستگاههای الکترونیکی پیشرفته، کاتالیزورها و پوششهای هوافضایی تنها بخشی از کاربردهایی هستند که این مواد میتوانند در آنها نقش ایفا کنند.
با این حال، کاهش زمان تولید بهتنهایی برای تجاریسازی یک ماده پیشرفته کافی نیست. کیفیت محصول، یکنواختی بین بچهای تولید، هزینه تجهیزات، ایمنی گازهای مورد استفاده و امکان کنترل دقیق واکنش در مقیاس صنعتی نیز باید بررسی شود. بنابراین، هرچند نتایج اولیه بسیار امیدوارکنندهاند، مسیر تبدیل این روش آزمایشگاهی به یک فناوری تولید صنعتی همچنان نیازمند ارزیابیهای بیشتر است.
با وجود این ملاحظات، مطالعه جدید دانشگاه رایس یک گام مهم در جهت حل یکی از مشکلات قدیمی تولید MXene برداشته است. مادهای که ظرفیت بالایی برای فناوریهای آینده دارد، اکنون میتواند با روشی ساخته شود که زمان فرایند آن از ساعتها و روزها به کمتر از نیم دقیقه کاهش یافته است.
این تغییر نشان میدهد که گاهی برای سرعتدادن به یک فرایند شیمیایی، لازم نیست فقط همان دستورالعمل قدیمی را کمی سریعتر اجرا کرد؛ گاهی باید کل منطق فرایند را تغییر داد. در اینجا، جایگزینی اچکردن مایع با اچکردن گازی و استفاده از گرمایش فلش ژول دقیقاً همین کار را انجام داده است: یک فرایند طولانی شیمیایی به فرایندی چندثانیهای و قابلکنترلتر تبدیل شده است.