Latest:
المقالات مقالات علمية 

مواد MXenes النانوية ثنائية الأبعاد: تطبيقاتها وخصائصها

الموقع الالكتروني

الاستاذ الدكتوره:ندى يحيى فيروز

ملخص

برزت مواد MXenes ثنائية الأبعاد، وهي عائلة متنامية من كربيدات ونتريدات وكربونتريدات المعادن الانتقالية، كحجر أساس في تقنية النانو نظرًا لتنوعها الفيزيائي والكيميائي الاستثنائي. على عكس العديد من المواد ثنائية الأبعاد الأخرى، تجمع MXenes بين الموصلية الكهربائية المعدنية (تصل إلى 20,000 سيمنز/سم) وسطح محب للماء، وهو تآزر يُسهّل معالجتها بسلاسة في البيئات المائية. تشمل خصائصها الأساسية مساحة سطح نوعية عالية، ومتانة ميكانيكية كبيرة (معامل يونغ يصل إلى 0.5 تيرا باسكال)، وإمكانية ضبط كيمياء السطح من خلال نهايات وظيفية متنوعة (مثل -O، -OH، -F). تسمح هذه الخصائص بهندسة دقيقة لفجوة الطاقة واستضافة أيونات أو جزيئات مختلفة بين الطبقات.

نتيجة لذلك، أظهرت MXenes إمكانات تحويلية في طيف واسع من التطبيقات. في مجال تخزين الطاقة، تُستخدم هذه المواد كأقطاب كهربائية عالية الأداء للمكثفات الفائقة وبطاريات الجيل القادم، إذ توفر نقلًا سريعًا للأيونات وسعة حجمية عالية. وتُعدّ قدرتها على حجب التداخل الكهرومغناطيسي من بين أعلى القدرات المُسجلة لمواد الأغشية الرقيقة. علاوة على ذلك، تُجرى أبحاث مكثفة على مواد MXenes في مجالات المعالجة البيئية (تنقية المياه وامتصاص المعادن الثقيلة)، والهندسة الطبية الحيوية (الاستشعار الحيوي، والعلاج الضوئي الحراري للسرطان، وتوصيل الأدوية)، والإلكترونيات المرنة. يُسلط هذا الملخص الضوء على علاقات التركيب والخواص التي تجعل من MXenes بديلاً متفوقًا للمواد النانوية ثنائية الأبعاد التقليدية، مثل الجرافين، في الأنظمة متعددة الوظائف.

  1. مقدمة

تحظى المواد ثنائية الأبعاد باهتمام كبير من باحثي المواد حاليًا نظرًا لخصائصها الإلكترونية والميكانيكية والبصرية الممتازة. على النقيض من ذلك، خلال أوائل القرن العشرين، توقع الفيزيائيون الكلاسيكيون أن استقرار المواد ثنائية الأبعاد غير واضح من الناحية الديناميكية الحرارية عند أي درجة حرارة ثابتة بسبب تقلبات الشبكة الحرارية [1]. ومع ذلك، شهد عام 2004 طفرة علمية في عالم علم المواد باكتشاف طبقة أحادية من الجرافين ثنائي الأبعاد [1]. فيزيائيًا، المواد ثنائية الأبعاد عبارة عن مواد صلبة بلورية رقيقة للغاية، مرتبطة بروابط تساهمية وروابط فان دير فالس. منذ اكتشاف الجرافين، ظهرت المزيد من المواد ثنائية الأبعاد، مثل نتريد البورون وأكاسيد المعادن والكالكوجينيدات، من خلال تقشير طليعتها ثلاثية الأبعاد [1، 2]. تتكون المواد النانوية ثنائية الأبعاد من طبقات بسماكات تتراوح من الذرية إلى النانوية، وتُظهر خصائص جديدة مختلفة مقارنةً بنظيراتها ثلاثية الأبعاد [3].

مع ذلك، تُستخدم المواد النانوية ثنائية الأبعاد السابقة بشكل أساسي في البحوث الأساسية والأكاديمية [4]. في الآونة الأخيرة، تم تقديم مواد جديدة ذات خصائص فيزيائية وكيميائية محسّنة بشكل كبير، مما يجعلها مناسبة لمختلف مجالات البحث [3، 5]. ويجري مهندسو الإلكترونيات اختبارات على أنظمة تخزين الطاقة وأجهزة الاستشعار [6، 7]، وفي تقارير أحدث، تم تطبيقها في دراسات على الخلايا البكتيرية وخلايا السرطان البشري [8، 9]. وقد برزت مادة “MXene” واكتسبت اهتمامًا كبيرًا في أبحاث المواد النانوية ثنائية الأبعاد نظرًا لبنيتها الكيميائية القابلة للتعديل وخصائصها الفريدة. اكتشف أول مادة MXene على الإطلاق فريق من الباحثين من جامعة دريكسل في فيلادلفيا، حيث قاموا بتقشير كربيد التيتانيوم والألومنيوم ثلاثي الأبعاد (Ti3AlC2)، المعروف أيضًا باسم طور MAX، باستخدام حمض الهيدروفلوريك (HF)، وأنتجوا طبقات ثنائية الأبعاد من كربيد التيتانيوم (Ti3C2) [10]. تُشتق مواد MXene عمومًا من كربيدات ونتريدات المعادن الانتقالية [5]. وتُصنع مواد MXene، على غرار الجرافين، عادةً من خلال تقشير سلائفها ثلاثية الأبعاد؛ وتُصنف هذه الطريقة ضمن منهجية التصنيع من الأعلى إلى الأسفل. تُسمى المواد الأولية ثلاثية الأبعاد لمركبات MXenes بأطوار MAX، وهي عبارة عن كربيدات أو نتريدات ثلاثية ذات الصيغة العامة Mn+1AXn. كما هو موضح في الصورة الاولى

  1. M هو فلز انتقالي مبكر، وA عنصر من عناصر المجموعة A (غالباً من المجموعة الرئيسية IIIA أو IVA)، وX إما كربون أو نيتروجين، وn = 1 أو 2 أو 3 [3]. ولأن روابط M–X أقوى بكثير من روابط M–A، ولأن طبقات A أكثر نشاطاً كيميائياً من طبقات M–X، فإنه يمكن إزالة طبقات A بشكل انتقائي باستخدام حمض قوي (مثل حمض الهيدروفلوريك، HF) لإنتاج طبقات Mn+1Xn التي يمكن فصلها لاحقاً باستخدام الموجات فوق الصوتية [6]. من خلال عملية الحفر هذه، تنتهي أسطح MXenes عادةً بمجموعات الفلور (–F) والهيدروكسيد (–OH) والأكسجين (–O) نظراً لطاقة سطحها العالية [3].

1.1 المعالجة بالمذيبات العضوية

في العقود القليلة الماضية، بُذلت جهود كبيرة لتحسين موصلية PEDOT:PSS، وتم الإبلاغ عن عدة طرق لتحسين موصلية PEDOT:PSS بشكل ملحوظ. إلى جانب الطرق الفيزيائية للمعالجة الحرارية والضوئية، تتمثل الطريقة الكيميائية الأولى في إضافة مركب عضوي قطبي ذي درجة غليان عالية إلى محلول مائي من PEDOT:PSS أو معالجة أغشية PEDOT:PSS بهذه المركبات. [7-11]

أثبتت الطرق الكيميائية فعاليتها العالية في تحسين موصلية PEDOT:PSS. ومن أقدم الطرق الكيميائية وأكثرها استخدامًا دمج مذيبات عضوية قطبية ذات درجة غليان عالية في محلول PEDOT:PSS المائي، أو المعالجة اللاحقة للأغشية المصنعة بهذه المذيبات.

1.2 أداء ألياف MXene

تقارن هذه الدراسة الموصلية الكهربائية ومعامل يونغ لألياف MXene المصنعة لدينا مع تلك الخاصة بألياف MXene الهجينة وألياف الجرافين المصنعة في دراسات سابقة [12، 15]. يتضح من مخطط آشبي أن ألياف MXene النقية المغزولة رطباً تتفوق على الألياف الأخرى المدروسة من حيث الموصلية الكهربائية ومعامل يونغ. فقد كانت الموصلية الكهربائية لألياف MXene (7713 سيمنز/سم) أعلى بنحو 107 و27 مرة من موصلية ألياف MXene/غرافين الهجينة (72.3 و290 سيمنز/سم على التوالي)[11،12]، وأعلى بخمس مرات من موصلية ألياف MXene/PEDOT:PSS (1490 سيمنز/سم)[13]، كما ورد سابقاً. علاوة على ذلك، كانت موصلية ألياف MXene

في هذه الدراسة أعلى بنحو 12-220 مرة من موصلية الغرافين [14-22]. بالإضافة إلى ذلك، كانت ألياف MXene النقية أكثر توصيلًا للكهرباء بمقدار 3.2 مرة من أغشية MXene المذكورة في الدراسات السابقة على المستوى العياني، مما يشير إلى أن ألياف MXene تتمتع ببنية متقنة [23].

لقد نجحنا في تطوير ألياف Ti3C2Tx MXene نقية وخالية من أي إضافات أو مواد رابطة أو مركبات، وذلك باستخدام طريقة الغزل الرطب. وقد أظهرت هذه الألياف موصلية كهربائية عالية جدًا بلغت 7713 سيمنز/سم، كما تم تصنيع ألياف MXene مرنة ومتصلة بطول متر واحد. ونظرًا لهذه الخصائص المتميزة، قمنا بدمج ألياف Ti3C2Tx MXene بشكل شامل في الأسلاك الكهربائية لتشغيل مصباح LED ونقل الإشارات الكهربائية إلى سماعات الأذن، وذلك لتوضيح إمكانية استخدام هذه الألياف في الأجهزة المحمولة المصغرة. لذا، نعتقد أن استراتيجيتنا للغزل الرطب لإنتاج ألياف MXene Ti3C2Tx النقية بكميات كبيرة وبشكل مستمر، تُتيح استغلال الإمكانات النانوية الأصلية لـ MXenes على المستوى العياني. إضافةً إلى ذلك، يُعزز هذا النهج استخدام مجموعة واسعة من MXenes في الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية المرنة والمحمولة والصغيرة الحجم.

Reference

  1. Shinde PV, Singh MK. Synthesis, characterization, and properties of graphene analogs of 2D material. Fundam Sens Appl 2D Mater. 2019;5:91–143.
  2. Li Z, Wang L, Sun D, Zhang Y, Liu B, Hu Q, Zhou A. Synthesis and thermal stability of two-dimensional carbide MXene Ti3C2. Mater Sci Eng B. 2015;191:33–40.
  3. Kang MH, Lee D, Sung J, Kim J, Kim BH, Park J. Structure and chemistry of 2D materials. Comprehens Nanosci Nanotechnol. 2019;1–5:55–90
  4. Gogotsi Y, Anasori B. The rise of MXenes. ACS Nano. 2019;13:8491–4.
  5. Tan C, Cao X, Wu XJ, He Q, Yang J, Zhang X, Chen J, Zhao W, Han S, Nam GH, et al. Recent advances in ultrathin two-dimensional nanomaterials. Chem Rev. 2017;117:6225–331.
  6. Kannan K, Sadasivuni KK, Abdullah AM, Kumar B. Current trends in MXene-based nanomaterials for energy storage and conversion system: a mini review. Catalysts. 2020;10:1–28.
  7. L. B. Groenendaal , F. Jonas , D. J. R. Reynolds , Adv. Mater. 2000 , 12 , 481 . [2] R. Yue , J. Xu , Synth. Met. 2012 , 162 , 912 . Freitag , H. Pielartzik .

8 C. Liu , B. Lu , J. Yan , J. Xu , R. Yue , Z. Zhu , S. Zhou , X. Hu , Z. Zhang , P. Chen , Synth. Met. 2010 , 160 , 2481 .

  1. J. Ouyang , C.-W. Chu , F.-C. Chen , Q. Xu , Y. Yang , Adv. Funct. Mater. 2005 , 15 , 203 .
  2. H. Yan , T. Jo , H. Okuzaki , Polym. J. 2009 , 41 , 1028 . [45] V. Singh , S. Arora , M. Arora , V. Sharma , R. P. Tandon , Semicond. Sci. Tech. 2014 , 29 , 045020 .
  3. W. Wichiansee , A. Sirivat , Mater. Sci. Eng. C 2009 , 29 , 78

noscale 3,20–30 (2011).

  1. Seyedin, S., Yanza, E. R. S. & Razal, J. M. Knittable energy storing fiber with high volumetric performance made from predominantly MXene nanosheets. J. Mater. Chem. A 5, 24076–24082 (2017).
  2. Yang, Q. et al. MXene/graphene hybrid fibers for high performance flexible supercapacitors. J. Mater. Chem. A 5, 22113–22119 (2017).
  3. Wang, Z. et al. High-performance biscrolled MXene/carbon nanotube yarn supercapacitors. Small 14, 1802225 (2018).
  4. Zhang, J. et al. Highly conductive Ti3C2Tx MXene hybrid fibers for flexible and elastic fiber-shaped supercapacitors. Small 15, 1804732 (2019).
  5. Jalili, R. et al. Scalable one‐step wet‐spinning of graphene fibers and yarns from liquid crystalline dispersions of graphene oxide: towards multifunctional textiles. Adv. Funct. Mater. 23, 5345–5354 (2013).
  6. Cong, H.-P. et al. Wet-spinning assembly of continuous, neat, and macroscopic graphene fibers. Sci. Rep. 2, 613 (2012).
  7. Xu, Z. & Chao, G. Graphene chiral liquid crystals and macroscopic assembled f ibres. Nat. Commun. 2, 571 (2011).
  8. Chen, L. et al. Toward high performance graphene fibers. Nanoscale 5, 5809–5815 (2013).
  9. Xu, Z. et al. Ultrastrong fibers assembled from giant graphene oxide sheets. Adv. Mater. 25, 188–193 (2013).
  10. Xiang, C. et al. Large flake graphene oxide fibers with unconventional 100% knot efficiency and highly aligned small flake graphene oxide fibers. Adv. Mater. 25, 4592–4597 (2013).
  11. Ma, T. et al. A bioinspired interface design for improving the strength and electrical conductivity of graphene‐based fibers. Adv. Mater. 30, 1706435 (2018).
  12. Ling, Z. et al. Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 16676–16681 (2014).