نانولوله‌های مارپیچ MXene: کلید تحول در ذخیره‌سازی انرژی، حسگرهای زیستی و فناوری‌های پوشیدنی

پژوهشگران دانشگاه دریکسل که نزدیک به یک و نیم دهه قبل، ماده‌ای نانومتری دوبعدی و رسانای همه‌کاره به نام «مکسین» (MXene) را کشف کردند، اکنون از دستاوردی جدید در تبدیل این ماده به پسرعموی یک‌بعدی خود خبر داده‌اند: «نانواسکرول‌های مکسین» (MXene Nanoscrolls). این تیم تحقیقاتی ادعا می‌کند این مواد که صد برابر نازک‌تر از موی انسان بوده و رسانایی بیشتری نسبت به همتایان دوبعدی خود دارند، می‌توانند عملکرد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، حسگرهای زیستی و فناوری‌های پوشیدنی را متحول کنند. یافته آن‌ها که در نشریه معتبر «مواد پیشرفته» (Advanced Materials) منتشر شده، روشی مقیاس‌پذیر برای تولید این نانواسکرول‌ها از پیش‌ماده مکسین ارائه می‌دهد که امکان کنترل دقیق بر شکل و ساختار شیمیایی آن‌ها را فراهم می‌کند.

یوری گوگوتسی، استاد برجسته دانشگاه و پژوهشگر ارشد این مطالعه در این باره می‌گوید: «ریخت‌شناسی دوبعدی در بسیاری از کاربردها بسیار مهم است. با این حال، کاربردهایی وجود دارد که در آن‌ها ریخت‌شناسی یک‌بعدی برتر است. این مقایسه مانند مقایسه ورق‌های فولادی با لوله‌ها یا میلگردهای فلزی است. برای ساخت بدنه خودرو به ورق نیاز دارید، اما برای پمپاژ آب یا تقویت بتن، به لوله‌ها یا میله‌های بلند نیاز است.»

با غلتاندن پوسته‌های دوبعدی مکسین به اسکرول‌های یک‌بعدی، این تیم ماده‌ای لوله‌ای ایجاد کرده‌اند که ده‌هزار برابر نازک‌تر از یک لوله آب است. این ماده می‌تواند پلیمرها یا فلزات را تقویت کند یا جریان یون‌ها را در یک باتری یا یک غشای نمک‌زدایی خازنی با مقاومت بسیار کمتری هدایت نماید. تنگ ژانگ، پژوهشگر فوق‌دکترا و از نویسندگان این مقاله، در توضیح مزیت این ساختار می‌افزاید: «در مکسین‌های دوبعدی استاندارد، پوسته‌ها به صورت تخت روی هم قرار می‌گیرند که فضایی محدود و مسیری دشوار برای حرکت و ناوبری یون‌ها یا مولکول‌ها بین لایه‌ها ایجاد می‌کند. با تبدیل ورق‌های نانویی دوبعدی به اسکرول‌های یک‌بعدی، ما از این اثر محدودیت نانویی جلوگیری می‌کنیم. هندسه لوله‌ای باز، به‌طور مؤثر «شاهراه‌هایی» برای انتقال سریع ایجاد می‌کند و به یون‌ها اجازه می‌دهد آزادانه حرکت کنند.»

ساختارهای مشابهی که از ورق‌های گرافن ساخته می‌شوند، مانند نانولوله‌های کربنی یا نانواسکرول‌های گرافن، از قبل به خوبی شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اما به گفته محققان دریکسل، تاکنون امکان تولید اسکرول‌های یک‌بعدی با کیفیت بالا از مکسین – که شیمی غنی‌تر، قابلیت پردازش بهتر و رسانایی بالاتری نسبت به گرافن ارائه می‌دهد – چالش‌برانگیز باقی مانده بود و تلاش‌های قبلی اغلب نتایج ناسازگاری تولید می‌کرد.

فرآیند ساخت نانواسکرول‌ها: از ورق تا لوله
فرآیند ساخت نانواسکرول‌ها با یک پوسته چندلایه مکسین به عنوان پیش‌ماده آغاز می‌شود. با کنترل دقیق محیط شیمیایی، پژوهشگران از آب برای تغییر شیمی سطح پوسته‌ها استفاده می‌کنند. این کار یک ناهمتاری ساختاری ایجاد می‌کند که به «واکنش جانوس» (Janus) معروف است و باعث ایجاد تنش شبکه‌ای درون لایه‌های پوسته‌ها می‌شود. با هدایت این نیروی رهاسازی تنش داخلی، لایه‌ها از هم جدا شده و به صورت مارپیچ‌های لوله‌ای تنگ می‌پیچند.

این تیم، این فرآیند را با شش نوع مختلف از مکسین‌ها – دو نوع کاربید تیتانیوم، کاربید نیوبیوم، کاربید وانادیوم، کاربید تانتالیم و کربونیترید تیتانیوم – آزمایش کرد و با قابلیت اطمینان بالا، موفق به تولید ۱۰ گرم نانواسکرول با ترکیب شیمیایی و ساختار فیزیکی قابل کنترل شد.

افزایش دقت حسگرها و استحکام پوشیدنی‌ها
علاوه بر امکان رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی برتر، هندسه نانواسکرول‌ها رفتارهای منحصربه‌فردی ایجاد می‌کند که می‌توان از آن‌ها در حسگری شیمیایی و مواد کامپوزیتی کاربردی بهره برد. گوگوتسی در این زمینه توضیح می‌دهد: «در یک ساختار دوبعدی انباشته استاندارد، جایگاه‌های فعال برای جذب مولکولی اغلب بین لایه‌ها پنهان شده‌اند و دسترسی مولکول‌ها، به ویژه مولکول‌های زیستی بزرگ را به آن‌ها دشوار می‌سازد. ساختار باز و توخالی اسکرول این مشکل را حل می‌کند و به آنالیت‌ها اجازه دسترسی آسان به سطح مکسین را می‌دهد. این ویژگی در ترکیب با رسانایی بالا و سفتی مکانیکی ماده، اطمینان می‌دهد که سیگنالی قوی و پایدار دریافت می‌کنیم.»

وی افزود: «از این رو، استفاده از اسکرول‌ها را در حسگرهای زیستی متصور می‌شویم. همان سطح قابل دسترس در اسکرول‌های رسانا ممکن است برای حسگرهای گاز، خازن‌های الکتروشیمیایی و دیگر دستگاه‌هایی که نیاز به دسترسی یون‌ها و مولکول‌ها به سطوح دارند، مفید باشد.»

در حوزه الکترونیک پوشیدنی یا دستگاه‌های یونوترونیک، پژوهشگران معتقدند نانواسکرول‌های مکسین می‌توانند عملکرد دوگانه‌ای داشته باشند و هم به عنوان تقویت‌کننده مکانیکی و هم برای افزایش رسانایی عمل کنند. به دلیل ساختار صلب آن‌ها، این نانوذرات قادرند خود را در ماتریس پلیمری وارد کرده و استحکام را تأمین کنند و در عین حال یک شبکه رسانای قوی را حفظ نمایند. این امر امکان ایجاد مواد کامپوزیتی کش‌پذیر را فراهم می‌آورد که فشار حرکت روزمره را تحمل کرده بدون اینکه اتصال الکتریکی خود را از دست بدهند.

هم‌راستاسازی اسکرول‌ها برای منسوجات هوشمند
پژوهشگران همچنین دریافتند که در محلول، می‌توان جهت‌گیری نانواسکرول‌ها را با یک میدان الکتریکی کنترل کرد. این کشف به آن معناست که می‌توان آن‌ها را به راحتی برای هم‌راستا شدن با محور الیاف در یک منسوج کاربردی وارد کرد تا پوششی بادوام‌تر و رسانا تولید شود. تنگ ژانگ در این باره می‌گوید: «تصور کنید که میلیون‌ها لوله ریز که ۱۰۰ برابر نازک‌تر از موی انسان هستند را دستکاری کنید تا یک سیم بسازند یا به صورت عمودی قرار گیرند تا یک برس ایجاد کنند. این واقعاً فناوری نانو است، زیرا می‌توانیم ماده را در مقیاس نانو دستکاری کنیم. این همچنین یک توسعه حیاتی برای منسوجات کاربردی است، زیرا اسکرول‌ها می‌توانند به عنوان مواد تقویت‌کننده در الیاف مصنوعی گنجانده شوند.»

این رفتار کنترل‌پذیر چیزی است که تیم به کاوش در آن ادامه خواهد داد. آن‌ها همچنین پیش‌بینی می‌کنند که رفتارهای کوانتومی ماده، به ویژه پتانسیل آن برای ابررسانایی، بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.

نشانه‌های اولیه رفتار ابررسانایی
گوگوتسی در این بخش خاطرنشان کرد: «تاکنون، ابررسانایی در این کلاس از مکسین‌ها به نمونه‌های فشرده پودرها و پلت‌ها محدود شده بود و هرگز در فیلم‌های پردازش‌شده در محلول با انعطاف‌پذیری مکانیکی محقق نشده بود. با استفاده از اسکرول‌های کاربید نیوبیوم، ما تغییراتی در ماده مشاهده کردیم که برای اولین بار امکان تحقق ابررسانایی در فیلم‌های ماکروسکوپی خودایستا را فراهم کرد. فرآیند اسکرول کردن، تنش شبکه‌ای و انحنای خاصی را معرفی می‌کند که در ورق‌های تخت وجود ندارد. اگرچه مکانیسم فیزیکی دقیق هنوز در حال بررسی است، فرض می‌کنیم که این تنش، در ترکیب با ساختار یک‌بعدی پیوسته، حالت ابررسانا را تثبیت می‌کند.»

ماهیت کوانتومی نانومواد در سال‌های اخیر منجر به تعدادی کشف برجسته شده است، زیرا این زمینه به دلیل پتانسیل آن برای افزایش قدرت محاسبات و ذخیره‌سازی داده‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای محققان دریکسل، این مطالعه یک پیشرفت بحرانی محسوب می‌شود، زیرا ابررسانایی مکسین را از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به یک ویژگی کاربردی از نانوماده تبدیل می‌کند. تنگ ژانگ در پایان خاطرنشان کرد: «با استفاده از روش‌های شرح‌داده شده در این مقاله، اکنون می‌توانیم مکسین‌های ابررسانا را در دمای اتاق به فیلم‌های انعطاف‌پذیر، پوشش‌ها یا سیم‌ها برای اتصال‌دهنده‌های ابررسانای احتمالی یا حسگرهای کوانتومی تبدیل کنیم. ما انتظار داریم پدیده‌های جالب دیگر ناشی از اسکرول شدن نیز وجود داشته باشد و قصد داریم آن‌ها را مطالعه کنیم.»