گامی نو در دنیای نانو؛ عبور از مرز یک نانومتر با موفقیت MXene
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، نانومواد دوبعدی که تنها چند اتم ضخامت دارند، به مرزهای جدیدی رسیده‌اند و دانشمندان در حال سنتز MXeneهایی هستند که تا نه فلز واسطه را در یک ورق فوق نازک جای می‌دهند.
این پیشرفت می‌تواند نحوه عملکرد مواد را در محیط‌های سخت، از هوافضا و ذخیره‌سازی انرژی گرفته تا الکترونیک پیشرفته، تغییر دهد.
محققان می‌گویند این یافته جهشی در درک چگونگی تعیین خواص مواد توسط نظم و بی‌نظمی در مقیاس اتمی است.
MXeneها، خانواده‌ای از کاربیدها و نیتریدهای دوبعدی که در سال ۲۰۱۱ کشف شدند، از جمله امیدوارکننده‌ترین نانومواد هستند که رسانایی بالا، قابلیت تنظیم و شیمی سطح غیرمعمول را با هم ترکیب می‌کنند.
ساختار لایه‌ای آنها، که فقط یک نانومتر ضخامت دارد، آنها را به بلوک‌های سازنده ایده‌آلی برای فناوری‌هایی که تحت شرایط بسیار دشوار کار می‌کنند، تبدیل می‌کند.
تضاد آنتروپی در مقابل آنتالپی
در مطالعه جدید خود، بابک عناصری و همکارانش از دانشگاه پردو، محدودیت‌های ساخت MXene را با قرار دادن حداکثر نه فلز مختلف از جدول تناوبی در یک ورق دوبعدی واحد، آزمایش کردند.
این تیم نزدیک به ۴۰ ماده لایه‌ای با ترکیبات مختلف ایجاد کرد، سپس بررسی کرد که چگونه آنتروپی، میل طبیعی به بی‌نظمی، با آنتالپی، تمایل به آرایش‌های اتمی منظم، رقابت می‌کند.
آناسوری گفت: «تصور کنید که با دو تا نه ماده اولیه چیزبرگر درست می‌کنید. اگر از دو تا شش ماده اولیه استفاده کنید، لایه‌ها همیشه به ترتیب روی هم قرار می‌گیرند. اما وقتی بیشتر اضافه کنید، ساندویچ با بی‌نظمی واقعی شکل می‌گیرد. جادوی ما در اینجا ترمودینامیک است و جعبه یک کوره با دمای بالا است.»
این تحقیق نشان می‌دهد که در حالی که ترکیبات فلزی کوچک‌تر، نظم پایدار را ترجیح می‌دهند، تعداد بیشتر منجر به فازهای «آنتروپی بالا» می‌شود که در آن اتم‌ها به طور غیرقابل پیش‌بینی آرایش می‌یابند. درک این گذار برای طراحی موادی که در شرایط سخت پایدار می‌مانند، بسیار مهم است.
هموار کردن مسیر برای افراط و تفریط
این تیم ابتدا فازهای MAX لایه‌ای «والد» را سنتز کردند، سپس آنها را به MXenes تبدیل کردند تا رفتار سطحی و الکترونیکی را تجزیه و تحلیل کنند. این امر به آنها اجازه داد تا گذارهای نظم-بی‌نظمی را به خواص عملکردی متصل کنند، که گامی کلیدی به سوی مهندسی مواد سفارشی است.
برایان وایت، محقق فوق دکترا و نویسنده اول، گفت: «این مطالعه نشان می‌دهد که نظم کوتاه‌برد در مواد با آنتروپی بالا، تأثیر آنتروپی در مقابل آنتالپی را بر ساختار و خواص آنها تعیین می‌کند.» «در تحقیقات سرامیک‌های لایه‌ای و مواد دوبعدی، این امر خانواده‌های این مواد و کاربردهای بالقوه آنها را گسترش می‌دهد.»
آزمایشگاه آناسوری بر ایجاد MXeneهایی متمرکز است که می‌توانند در جاهایی که مواد فعلی شکست می‌خورند، از محافظت از امواج الکترومغناطیسی گرفته تا عملکرد به عنوان آنتن‌های فوق نازک در ارتباطات نسل بعدی، رشد کنند.
اناصوری گفت: «ما می‌خواهیم به گسترش مرزهای توانایی مواد ادامه دهیم، به خصوص در محیط‌های بسیار سخت که مواد فعلی در آنها کم می‌آورند.»
«چه در زمینه‌ی فراهم کردن انرژی پاک باشد، چه در زمینه‌ی برد بیشتر خودروهای برقی در سرمای شدید یا گرمای شدید در هوافضا، و چه در زمینه‌ی ساخت موادی که در فضا یا شرایط اعماق دریا کارایی دارند، امیدوارم کار ما بتواند به فعال کردن نسل بعدی فناوری‌ها کمک کند.»
این تحقیق توسط آژانس‌هایی در ایالات متحده، لهستان و کره تأمین مالی شده و در مجله Science منتشر شده است .
