یک تیم بینالمللی از پژوهشگران اروپایی با ارائه روشی نوین برای تولید مکسینها (MXenes)، موفق شدهاند رسانایی الکتریکی این مواد دوبعدی را تا ۱۶۰ برابر افزایش دهند. فناوری تازه که بر پایه فرآیند «گاز–مایع–جامد» استوار است، امکان کنترل دقیق ترکیب سطحی و حذف ناخالصیها را فراهم کرده و مسیر توسعه نسل آینده ادوات الکترونیکی، حسگرها و فناوریهای انرژی را هموار میسازد.
مکسینهای(MXenes) خالص با رسانایی ۱۶۰ برابر بیشتر؛ گشایش افقهای تازه در الکترونیک و انرژی
گروهی از دانشمندان وابسته به دانشگاه صنعتی درسدن (Technische Universität Dresden – TU Dresden)، مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک ریزساختار در هاله (Max Planck Institute of Microstructure Physics)، مرکز هلمهولتس درسدن-روسندورف (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – HZDR) و چندین نهاد پژوهشی اروپایی، از دستیابی به روشی پیشگامانه در سنتز مکسینها خبر دادهاند؛ خانوادهای مهم از مواد دوبعدی معدنی که از زمان کشف در سال ۲۰۱۱، توجه گسترده جامعه علمی را به خود جلب کردهاند. نتایج این پژوهش در نشریه «سنتز طبیعت» (Nature Synthesis) منتشر شده است.
مکسینها از لایههایی متشکل از فلزات واسطه در ترکیب با کربن یا نیتروژن ساخته میشوند و سطح بیرونی آنها با اتمهایی موسوم به «پایاندهندههای سطحی» پوشانده میشود. همین اتمهای سطحی نقشی تعیینکننده در ویژگیهای ماده دارند. به گفته دکتر «مهدی قربانیاصل» از مؤسسه فیزیک پرتوی یونی و پژوهش مواد در مرکز HZDR، این پایاندهندهها حرکت الکترونها، پایداری ماده و نحوه تعامل آن با نور، گرما و محیطهای شیمیایی را بهشدت تحت تأثیر قرار میدهند.
در روشهای متداول، مکسینها از طریق اچ شیمیایی تولید میشوند؛ فرآیندی که به ایجاد ترکیبی تصادفی از اتمهای اکسیژن، فلوئور یا کلر بر سطح ماده میانجامد. این بینظمی اتمی، همانند دستاندازهایی در یک بزرگراه، حرکت الکترونها را مختل کرده و کارایی ماده را کاهش میدهد. «دونگچی لی» از دانشگاه صنعتی درسدن این وضعیت را عاملی محدودکننده در عملکرد الکترونیکی مکسینها توصیف کرده است.
روش نوین موسوم به «گاز–مایع–جامد» (Gas–Liquid–Solid – GLS) این چالش را برطرف کرده است. در این فرآیند، بهجای استفاده از مواد شیمیایی خورنده، از فازهای جامد آغازین موسوم به « فاز مکس» (MAX phases)، نمکهای مذاب و بخار ید بهره گرفته میشود. نمکهای مذاب و ید بهصورت همزمان تعیین میکنند که کدام اتمهای هالوژن ــ مانند کلر، برم یا ید ــ به سطح امایکسین متصل شوند. نتیجه، تولید ورقههایی با پایاندهندههای سطحی یکنواخت، منظم و عاری از ناخالصیهای قابل تشخیص است.
پژوهشگران با این روش توانستند از هشت فاز مکس متفاوت، مکسین تولید کنند؛ موضوعی که نشان میدهد این فناوری دامنه کاربرد گستردهای دارد. افزون بر این، با استفاده از محاسبات نظریه تابعی چگالی (Density Functional Theory – DFT)، تأثیر دقیق پایاندهندههای سطحی بر پایداری و ویژگیهای الکترونیکی این مواد بررسی شد. ترکیب توان نظری و کنترل آزمایشگاهی دقیق، مسیر طراحی مکسینهایی با خواص سفارشی و پایداری بهبودیافته را هموار کرده است.
برای نشان دادن اهمیت این دستاورد، تیم پژوهشی بر یکی از شناختهشدهترین اعضای این خانواده، یعنی کاربید تیتانیوم Ti₃C₂ تمرکز کرد. در روشهای مرسوم، این ماده معمولاً دارای ترکیبی از پایاندهندههای کلر و اکسیژن است که عملکرد الکتریکی آن را مختل میکند. اما در نمونه تولیدشده با روش GLS، ساختاری با فرمول Ti₃C₂Cl₂ بهدست آمد که تنها دارای اتمهای کلرِ منظم و بدون ناخالصی بود.
نتایج بهگفته پژوهشگران چشمگیر بوده است. رسانایی ماکروسکوپی این نمونه ۱۶۰ برابر و رسانایی در محدوده تراهرتز ۱۳ برابر بیشتر از نمونههای تولیدشده با روشهای سنتی گزارش شده است. همچنین تحرک حاملهای بار ــ شاخصی کلیدی از میزان آزادی حرکت الکترونها ــ نزدیک به چهار برابر افزایش یافته است. شبیهسازیهای کوانتومی نیز نشان دادهاند که نظم سطحی موجب کاهش بهدامافتادن و پراکندگی الکترونها میشود و توضیحی میکروسکوپی برای این بهبود عملکرد ارائه میدهد.
فراتر از رسانایی الکتریکی، این پژوهش نشان داده است که نوع هالوژن سطحی میتواند نحوه جذب امواج الکترومغناطیسی را تغییر دهد. برای نمونه، مکسینهای با پایاندهنده کلر در بازه فرکانسی ۱۴ تا ۱۸ گیگاهرتز جذب قوی نشان میدهند، در حالیکه گونههای دارای برم یا ید در بازههای متفاوتی عمل میکنند. این ویژگی میتواند در توسعه پوششهای جاذب رادار، سامانههای حفاظتی در برابر تداخل الکترومغناطیسی و قطعات ارتباطات بیسیم نسل آینده کاربرد داشته باشد.
پژوهشگران همچنین با ترکیب نمکهای هالیدی مختلف، مکسینهایی با دو یا حتی سه نوع پایاندهنده سطحی و نسبتهای دقیق تولید کردند؛ قابلیتی که امکان «تنظیم دقیق» ترکیب سطح را فراهم میسازد و ابزار تازهای برای طراحی مواد در حوزههای الکترونیک، کاتالیز، ذخیرهسازی انرژی و فوتونیک در اختیار دانشمندان قرار میدهد.
در مجموع، این دستاورد گامی اساسی در شیمی مکسینها بهشمار میرود؛ زیرا برای نخستینبار روشی ملایم، فراگیر و دقیق برای تولید نمونههایی با سطح کاملاً منظم و کنترلشده ارائه میدهد. به باور پژوهشگران، فناوری GLS میتواند روند توسعه مواد پیشرفته برای الکترونیک انعطافپذیر، فناوریهای ارتباطی پرسرعت و ادوات اپتوالکترونیکی پیشرفته را شتاب بخشد و جایگاه مکسینها را در خط مقدم فناوریهای نوین تثبیت کند.
