تتكون المواد ، المعروفة باسم Mxenes ، من صفائح فقط بضع ذرات سميكة ، ويمكنها التفاعل مع الضوء بطرق يمكن أن تجعل التقنيات المستقبلية أسرع وأصغر وأكثر كفاءة.
لقد وجد العلماء في ألمانيا وإسرائيل طريقة جديدة لدراسة بعض المواد الصغرى والأكثر الواعدة على الأرض – وهو تقدم يمكن أن يساعد في إنشاء بطاريات أفضل ، وإلكترونيات مرنة ، وأجهزة الطاقة النظيفة.
المواد ، المعروفة باسم mxenes ، تتكون من صفائح فقط بضع ذرات سميكة. يمكنهم سلوك الكهرباء ، وتخزين الطاقة ، وحتى التفاعل مع الضوء بطرق يمكن أن تجعل التقنيات المستقبلية أسرع وأصغر وأكثر كفاءة. ولكن حتى الآن ، كان بإمكان الباحثين فقط دراسة mxenes في مداخن كبيرة من الطبقات المتداخلة. هذا جعل من الصعب فهم ما يمكن أن تفعله كل طبقة واحدة من تلقاء نفسها.
تولد Mxenes الإثارة لسنوات بسبب إمكاناتها في تقنية الجيل التالي-من البطاريات الشحن الفائقة والخلايا الشمسية إلى شاشات مرنة وأغشية تنظيم المياه. ولكن لجعل هذه الأفكار حقيقية ، يحتاج العلماء أولاً إلى فهم كيفية تصرف هذه المواد بالضبط في أصغر المقاييس.
قام فريق بحث بقيادة الدكتور أندرياس فورشنر من هيلمهولتز-زينتروم برلين والدكتور رالف كيناز* من جامعة القدس العبرية بحل هذه المشكلة. لقد استخدموا طريقة بصرية جديدة تسمى القياس الميكريسي الطيفي (SME) للنظر في رقائق mxene الفردية واحدة تلو الأخرى. تم نشر النتائج في مراجعة النظراء ACS Nano Journal.
تعمل هذه التقنية عن طريق تضييق الضوء الذي يتم التحكم فيه بعناية على العينات المجهرية وقياس كيفية انعكاس الضوء. من هذا الانعكاس ، يمكن للعلماء معرفة مدى جودة المواد الكهربائية وكيف يؤثر هيكلها على الأداء. على عكس الأساليب القديمة ، لا تضر SME العينة ويمكنها إكمال التحليل الكامل في أقل من دقيقة.
الإسرائيليون يمشون أمام مدخل جامعة القدس العبرية (الائتمان: مارك إسرائيل سيلم/بوست القدس)
وقال كيناز ، الذي شارك في اختراع الطريقة: “ما هو رائع حقًا في هذا العمل هو أنه في أقل من دقيقة واحدة ، يمكننا قياس الخصائص البصرية والهيكلية والكهربائية مباشرة لرقائق Mxene الفردية بطريقة غير مدمرة”. “عادة ، تتطلب هذه القياسات ثلاثة أدوات مختلفة ومزيد من الوقت.”
كيف يتصرف كل تقشر
وقال فورشنر إن النهج الجديد يمنح العلماء صورة واضحة عن كيفية تصرف كل تقشر. وقال: “إن قياس كيفية تفاعل رقائق المكسين المفردة مع الضوء سمح لنا بتحديد اختلافات صغيرة في السماكة والتوصيل”. “كنا متحمسين لمعرفة مدى توافق النتائج بشكل أبطأ وأكثر تدميراً.”
وجد الفريق أنه عندما تصبح طبقات mxene أرق ، تزداد مقاومتها الكهربائية-تفاصيل حاسمة لتصميم مكونات إلكترونية موثوقة وفعالة. تمكنت هذه التقنية الجديدة أيضًا من مطابقة دقة أدوات التصوير القوية مثل المجاهر الإلكترونية ، مما يؤكد دقتها.
وقال البروفيسور رونين رابابورت من الجامعة العبرية: “يوفر هذا العمل خريطة طريق لدمج Mxenes في تقنيات حقيقية من خلال تقديم رؤية مباشرة لخصائصها الجوهرية دون تدخل الطبقات المكدسة أو الشوائب”. “من خلال تحسين كيفية دراسة هذه المواد ، فإننا نهدأ الطريق لاستخدامها في الطاقة والأجهزة الإلكترونية البصرية.”
وفقًا للدكتور تريستان بيتيت من هيلمهولتز-زينتروم برلين ، يمكن أن يكون لهذه التقنية الجديدة تأثير أوسع. وقال: “هذا يفتح مجالات جديدة من الأبحاث التي كانت ممكنة في السابق فقط مع مرافق الأشعة السينية الكبيرة باهظة الثمن”. “الآن يمكننا القيام بعمل مماثل في مختبر عادي ، أسرع بكثير.”
يمكن لـ MXENES تخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها بكفاءة للغاية ، مما يجعلها واعدة لبطاريات ليثيوم أيون من الجيل التالي وبطاريات الحالة الصلبة. نظرًا لأنها رقيقة وقابلة للانحناء ، يمكن لـ Mxenes تشغيل الأجهزة التي يمكن ارتداؤها أو الملابس الذكية أو الإلكترونيات القابلة للطي. هذا أيضًا يجعل Mxenes مثاليًا للاستخدام في المكثفات الفائقة – الأجهزة التي تقدم رشقات سريعة من القوة وإعادة الشحن بشكل أسرع بكثير من البطاريات العادية.
إن قدرتها على التفاعل مع الضوء وسلوك الكهرباء تجعل mxenes مفيدة للخلايا الشمسية والأنظمة الكيميائية الضوئية التي تحول أشعة الشمس إلى طاقة نظيفة. على وجه الخصوص ، قد تعمل mxenes على تحسين إنتاج الهيدروجين من خلال العمل كمحفزات في تفاعلات تقسيم الماء.
نظرًا لأن mxenes يمكن أن يقوم بتصفية المعادن والأملاح الثقيلة من الماء ، فإن العلماء يستكشفونها لأغشية تحلية المياه وتقنيات التنظيف البيئي. يدرس الباحثون أيضًا mxenes للاستخدام المحتمل في المستشعرات الحيوية وأنظمة توصيل الأدوية والتشخيصات الطبية.
على حد تعبير الدكتور بيتيه: “هذا عرض قوي لكيفية تعاون الفيزياء والفيزياء المتقدمة من علوم المواد. mxenes هي مجرد بداية.”