مهندسان دانشگاه کارنگیملون (Carnegie Mellon University) با ابداع یک روش چاپ پیشرفته، موفق به ساخت سازههای سهبعدی بسیارریز و مستحکم از نانوورقههای پیشرفته مکسین (MXene) شدهاند. این فناوری که بدون نیاز به هیچ ماده نگهدارنده یا مرحله پردازش اضافهای عمل میکند، امکان ساخت ریزباتریها و ابرخازنهایی با توان ذخیرهسازی انرژی بینظیر را فراهم میآورد. دستاوردی که میتواند آینده فناوریهای پوشیدنی، رباتیک در مقیاس میکرو و الکترونیک مینیاتوری را متحول کند.
تحولی در دنیای ریزابزارها: چاپ سهبعدی سازههای خودایستای مکسین (MXene)
در دستاوردی جالب که میتواند نیروبخش نسل آینده الکترونیک، حسگرها و دستگاههای ذخیرهسازی انرژی باشد، مهندسان دانشگاه کارنگیملون موفق به توسعه یک روش ساخت پیشرفته شدهاند. این فناوری، نانوورقههای مکسین (MXene) را که هر یک میلیون بار نازکتر از یک ورق کاغذ هستند، در یک مرحله چاپ واحد، در قالب ساختارهای سهبعدی پیچیده سازماندهی میکند.
راهل پانات، نویسنده اصلی این پژوهش که نتایج آن در مجله اسمال (Small) منتشر شده، در این باره میگوید: «یک چینش سهبعدی از این نانوماده دوبعدی میتواند به ما کمک کند تا به الزامات عملکردی دستگاههای الکترونیکی مینیاتوری شده، مانند اَبَرخازنهای ریز (microsupercapacitors) و باتریها دست یابیم.»
استحکام مکانیکی برجسته و پایداری الکتروشیمیایی فوقالعاده مکسینها، برای بیش از یک دهه توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است. با این حال، ویژگیهای چشمگیر این ماده به تنهایی برای خلق دستگاههای با کارایی بالا کافی نیست. معماری ماده نقشی حیاتی ایفا میکند؛ چرا که چگونگی حرکت کارآمد یونها و الکترونها درون یک الکترود را حکمرانی میکند. بدون یک ساختار طراحیشده دقیق، حتی پیشرفتهترین مکسینها نیز میتوانند با گلوگاه و مانع مواجه شوند.
در کارهای پیشین، پانات که استاد مهندسی مکانیک است، توانایی چیدمان مکسین دوبعدی در ساختارهای سهبعدی را با پشتیبانی یک اسکلت سرامیکی نشان داده بود. اکنون، گروه پژوهشی پانات با خلق سازههای سهبعدی خودایستا (freestanding)، این فناوری را ارتقا دادهاند.
از جوهر تا جنگل میکروسکوپی: راز یک چاپ تکمرحلهای
با تبدیل نانوورقههای مکسین به یک جوهر کاملاً عاری از مواد افزودنی، این تیم موفق شد طرحهای پیچیدهای را با استفاده از فناوری چاپ هوابرد (آئروسل جت) (Aerosol Jet Printing – AJP) چاپ کند.
برای تشکیل این جوهر، پژوهشگران از تبخیر طبیعی قطرات ریز آئروسل حاوی نانوورقههای دوبعدی مکسین بهره میبرند. سپس این جوهر با استفاده از کنترل آئرودینامیکی، با دقت بالا هدایت میشود. با بهرهگیری از برهمکنشهای ثانویه بین نانوورقهها، محققان میتوانند مونتاژ ساختارهای سهبعدی پیچیده را هدایت کنند.
با استفاده از این فرآیند، تیم موفق شد گلبرگهای منحنی ظریفی را که روی یک ساقه چیده شدهاند تا یک ریزگل (microflower) تشکیل دهند، چاپ کند. همچنین سازههای درختمانندی را ساخت که در کنار هم یک ریزجنگل (microforest) را ایجاد میکنند. آنها همچنین کنترل ظریف خود در بعد دو بعدی را با چاپ طرحهای پیچیدهای مانند لوگوی دانشگاه کارنگیملون و پرترهای از بنیانگذار آن، اندرو کارنگی، به نمایش گذاشتند.
پانات در توضیح اهمیت این سازهها میافزاید: «این ساختارها از این جهت مهم هستند که به ما اجازه میدهند ویژگیهای استثنایی مکسینها را به دستگاههای عملی و پربازده در مقیاس میکروسکوپی تبدیل کنیم.»
دستاوردی بیسابقه در کارایی ابرخازنهای میکروسکوپی
برای نشان دادن تأثیر عملی این فناوری، آزمایشگاه پانات یک ابرخازن میکروسکوپی سهبعدی با عملکرد فوقالعاده بالا ساخت. این دستگاه به یک ظرفیت خازنی سطحی رکوردشکن ۳۷۵ میلیفاراد بر سانتیمتر مربع و یک چگالی انرژی سطحی ۱۱.۰۴ میکروواتساعت بر سانتیمتر مربع دست یافت که به مراتب از ابرخازنهای میکروسکوپی ساختهشده با سایر روشهای با وضوح بالا پیشی میگیرد.
پانات با اشاره به نوآوری منحصربهفرد این روش تأکید کرد: «این اولین بار است که نانومواد دوبعدی بدون مواد افزودنی، بدون نیاز به ساختارهای نگهدارنده یا پردازش ثانویه، در ساختارهای سهبعدی خودایستا مونتاژ میشوند. ساخت این سازههایی که قبلاً دستنیافتنی بودند، هیجانانگیز است، زیرا میتوانند به همه چیز، از دستگاههای پوشیدنی مینیاتوری گرفته تا رباتهای ریز و باتریها سود برسانند.»
این پیشرفت، گامی حیاتی در جهت غلبه بر چالشهای اصلی در کوچکسازی دستگاههای ذخیرهساز انرژی محسوب میشود. با طراحی معماری سهبعدی بهینه، مسیرهای سریع و کارآمدی برای انتقال بار ایجاد میشود که منجر به افزایش چشمگیر چگالی توان و انرژی میگردد. انتظار میرود این فناوری چاپ، افقهای جدیدی را نه تنها در حوزه الکترونیک قدرتمند و فشرده، بلکه در زمینههایی مانند ریزسیالشناسی، حسگرهای زیستی پیشرفته و سامانههای رهایش دارو بگشاید. توانایی ساخت اشکال پیچیده و سفارشی در مقیاس میکرون، رویایی است که اکنون با جوهر نانوورقههای هوشمند به واقعیت پیوسته است.
