مکسین (MXene) دسته ای جدید از نانو مواد دو بعدی (2D) و بعبارت دیگر نانو صفحات می باشد که بوسیله لایه برداری (Exfoliation) فاز های مَکس (MAX) تولید می شوند. این نانو صفحات جدید به علت برخورداری از خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر بفرد نظیر انعطاف پذیری مطلوب، استحکام بالا، فعالیت شیمیایی ویژه، سطح ویژه بهبود یافته و…. در سال های اخیر کاربرد های زیادی در صنایع مختلف پیدا کرده اند.
در این مقاله قصد داریم به معرفی این نانو صفحات جدید بپردازیم با ما همراه باشید.
فاز های مَکس (MAX)
کاربید ها و نیترید های سه تایی خانواده بزرگی از ترکیبات یا فاز های سه تایی (ترکیبات سه تایی به ترکیباتی گفته می شود که متشکل از سه جزء می باشند) با فرمول کلی M1+nAXn را تشکیل می دهند که تحت عنوان فاز ها یا ترکیبات مَکس (MAX) شناخته می شوند. در فرمول کلی ترکیبات مکس، M نشان دهنده فلزات واسطه، A نشان دهنده عناصر گروه های 13 و 14جدول تناوبی (سیلیکون، بور، آلومینیوم و….)، X نشان دهنده کربن یا نیتروژن بوده و n می تواند مقادیری برابر با 1، 2 و 3 را داشته باشد.
به عنوان مثال و با توجه به فرمول ذکر شده می توان ترکیب Ti3AlC2 را بعنوان یکی از ترکیبات مَکس معرفی کرد. ترکیبات یا فازهای مکس دارای ساختاری لایه لایه هستند که محققین آنها را سرامیک های شکل پذیر با قابلیت ماشینکاری نامگذاری کرده اند. ساختار لایه لایه این مواد باعث می شود که ترکیبات مکس قابلیت پیچ خوردگی و همچنین ورقه ورقه شدن را دارا باشند. این ساختار منحصر بفرد فازهای مکس باعث شده است تا این مواد مجموعه ای از ویژگی های سرامیک ها و فلزات را دارا باشند.
این ترکیبات می توانند مانند فلزات هادی حرارت و الکتریسیته بوده و در عین حال همانند مواد سرامیکی سخت، مستحکم، شکننده و مقاوم در برابر حرارت باشند. علاوه بر این موضوع، فاز های مکس دارای مقاومت مطلوب در برابر خوردگی می باشند. با در نظر گرفتن این ویژگی های منحصر بفرد، می توان پی برد که ترکیبات مکس چه کاربرد های وسیعی در صنایع مختلف خواهند داشت.
نانو ماده ای بنام مکسین
در بخش قبل، ترکیبات مکس، ساختار و خواص فیزیکوشیمیایی آنها توضیح داده شد. حال تصور کنید اگر این ماده با چنین ویژگی هایی با ابعاد نانومتری تولید شود از چه ویژگی های جدید و منحصر بفردی برخوردار خواهد شد. این موضوع باعث شد تا محققین دست به کار شده و ترکیبات مکس را در مقیاس نانومتری توسعه دهند.
اولین بار در سال 2011، محققین انستیتو نانو تکنولوژی دانشگاه دِرِکسِل موفق شدند یکی از فاز های مکس با ترکیب شیمیایی Ti3AlC2 را بصورت نانو ذرات دو بعدی یا نانو صفحات Ti3C2 توسعه دهند و این نانو ماده جدید را مَکسین (MXene) نامگذاری کردند. نام این ماده جدید نانومتری برگرفته از ساختار دو بعدی آن می باشد همانطور که در گذشته نیز زمانیکه نانو صفحات از گرافیت تولید شده و تحت عنوان گرافن (Graphene) نامگذاری گردیدند.
این پژوهشگران برای دستیابی به نانو صفحات مکسین از روش لایه برداری (Exfoliation) استفاده کردند. این روش همان روش استفاده شده در تولید گرافن می باشد.
اساس روش لایه برداری بر شکستن پیوند های میان لایه ها یا صفحات موجود در ساختار ترکیبات مکس توسط انرژی مکانیکی یا شیمیایی می باشد. برای درک بهتر فرآیند تولید نانو صفحات Ti3C2، لازم است تا ساختار Ti3AlC2 را توضیح دهیم. همانطور که گفته شد ترکیبات مکس دارای ساختار لایه لایه ای هستند؛ ساختار ترکیب Ti3AlC2 نیز به گونه ای است که صفحات Ti3C2 توسط یک ردیف از اتم های آلومینیوم (Al) به یکدیگر متصل شده و تشکیل ترکیب Ti3AlC2 را داده است. ساختار فاز مکس Ti3AlC2 در تصویر زیر نشان داده شده است.
برای تولید نانو صفحات Ti3C2 به روش لایه برداری از هیدرو فلوئوریک اسید (HF) و فرآیند التراسونیک استفاده گردید. زمانیکه Ti3AlC2 با هیدرو فلوئوریک اسید ترکیب می شود واکنش زیر اتفاق می افتد:
Ti3AlC2 + 3HF = AlF3 + 3/2H2 + Ti3C2
بر اساس واکنش ارائه شده مشخص می شود که اتم های آلومینیوم از ساختار ترکیب مکس خارج شده، با یون فلوئور واکنش داده و تشکیل ترکیب AlF3 را می دهد و در نتیجه این امر صفحات Ti3C2 جدا شده تشکیل می گردد که سطح آنها توسط گروه های هیدروکسیل (OH) پوشیده شده است. پس از حذف اتم های آلومینیوم از ساختار، محلول حاوی صفحات Ti3C2 تحت امواج التراسونیک قرار گرفته تا پیوند های ضعیف میان صفحات شکسته شده و منجر به تشکیل نانو صفحات مکسین (Ti3C2) با ضخامت چند نانومتر گردد. شماتیک فرآیند لایه برداری ترکیب مکس تا دستیابی به نانو صفحات مکسین در تصویر زیر نمایش داده شده است.
مکسین
(ساختار ترکیب Ti3AlC2 و شماتیک فرآیند لایه برداری این ترکیب تا دستیابی به نانو صفحات Ti3C2)
تصاویر TEM بدست آمده از نانو صفحات تولید شده نشان دادند که تعدادی از این نانو صفحات تا شعاع 20 نانومتر دچار خمش شده اند بدون اینکه شکسته شوند که این موضوع نشان دهنده انعطاف پذیری و استحکام بالای نانو صفحات مکسین می باشد. نتایج محاسبات صورت گرفته روی خاصیت کشسانی این نانو صفحات نشان داد که مدول الاستیک هر نانو صفحه برابر با 300 گیگا پاسکال (GPa) است.
حضور گروه های هیدروکسیل در سطح نانو صفحات مکسین تولید شده موجب می شود تا دیسپرس شدن آنها در پلیمر ها بهبود یافته و برقراری پیوند نانو صفحات با پلیمر نیز تقویت گردد که در کاربرد های مربوط به ساخت کامپوزیت های زمینه پلیمری حائز اهمیت است.
لازم به ذکر است که نانو صفحات مکسین از پایداری بالایی نیز برخوردار هستند. مقاومت الکتریکی Ti3AlC2 و نانو صفحات Ti3C2 بررسی شدند. نتایج بدست آمده نشان دادند که مقاومت الکتریکی نانو صفحات تولید شده پایین تر از Ti3AlC2 بوده و برابر با 03/0 میکرو اهم می باشد. چنین مقاومت الکتریکی پایینی باعث می شود تا نانو صفحات مکسین کاندیدای مناسبی برای صنعت باتری سازی باشند. لازم به ذکر است که نانو صفحات مکسین به علت برخورداری از ساختار دو بعدی، دارای سطح ویژه به شدت بالایی نیز می باشند که این موضوع باعث می شود تا رفتار کاتالیستی و جذبی فوق العاده ای داشته باشند.
ویژگی های منحصر بفردی که برای نانو صفحات مکسین شناسایی شده اند باعث شده است تا این نانو ماده جدید نظر متخصصین حوزه باتری سازی، سنسور ها، تصفیه پساب صنعتی و پوشش های هادی را به سوی خود جلب کند.
منابع
