طور علماء روس وأجانب طريقة جديدة لتثبيت المواد الماكينية ثنائية الأبعاد (MXenes) في مرحلة واحدة. يمكن للنهج الذي اقترحه الأطباء تحسين خصائص الماكين – الالتصاق والثبات الكيميائي، وهي أمور مهمة لاستخدام مواد التصنيع، على سبيل المثال في السخانات الكهربائية وأجهزة استشعار التنفس. نُشر البحث، بدعم من مؤسسة العلوم الروسية، في مجلة ACS Applied Materials & Interfaces، حسبما ذكرت الخدمة الصحفية لجامعة تومسك بوليتكنيك.
ماكسينات هي عائلة من المواد النانوية التي تم اكتشافها منذ حوالي عشر سنوات. وهي مواد ثنائية الأبعاد تتكون من معادن انتقالية، وكربون و/أو نيتروجين، ومجموعات وظيفية سطحية. يتمتع ماكسين بموصلية كهربائية عالية جدًا، ومساحة سطحية كبيرة، وهو مرشح ممتاز للاستخدامات، مثل مادة للمكثفات الفائقة وأجهزة الاستشعار الكيميائية. ومع ذلك، فإن التطبيق العملي للماسين يعوقه بشكل خطير ضعف الالتصاق بالركائز الكارهة للماء، مثل بعض البوليمرات شائعة الاستخدام، فضلاً عن انخفاض الاستقرار الكيميائي، مما يؤدي إلى تدهور الخواص الكهربائية والميكانيكية في ظل الظروف البيئية.
طرق التثبيت التقليدية، على سبيل المثال، المعالجة المسبقة لسطح الركيزة بالبلازما، وإضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي، والمعالجة اللاحقة باستخدام مضادات الأكسدة، والتليين الحراري، غالبًا ما تقلل من التوصيل الكهربائي للمادة، وهي ليست مناسبة لجميع الركائز، وتتضمن أيضًا عمليات تكنولوجية معقدة ومتعددة المراحل.
اقترح علماء روس وصينيون طريقة جديدة لتثبيت الماكين، وهي عملية نقل بالليزر من خطوة واحدة.
“تُحدث المعالجة بالليزر حاليًا ثورة في تعديل المواد النانوية، مما يوفر حلاً من خطوة واحدة لمشاكل انخفاض الالتصاق والاستقرار. هناك بعض الدراسات التي تستخدم المعالجة بالليزر لتشكيل هياكل للمكثفات الفائقة أو إنشاء عينات من أشكال مختلفة، ولكن عادةً لا يؤدي التشعيع إلى تحسين الاستقرار أو، الأسوأ من ذلك، يؤدي إلى أكسدة الهياكل. في هذا العمل، نعتبر المعالجة بالليزر كاستراتيجية تصميم واجهة تهدف إلى تحسين التصاق الماكيني بكل من المواد الصلبة (الزجاجية) والمرنة. قالت إيفجينيا شيريميت، الأستاذة في كلية أبحاث التكنولوجيا الكيميائية والطبية الحيوية بالجامعة: “تضمن هذه الطريقة تثبيتًا موثوقًا للماكسين على الركائز وتطيل عمر الأجهزة المعتمدة عليها. ولا تتطلب الطريقة المقترحة معالجة مسبقة أو لاحقة، وهي قابلة للتطبيق حتى على أفلام الماكسين القديمة التي تم تصنيعها منذ أكثر من عام”. “وقال تومسك البوليتكنيك.
ولحل المشكلة، استخدم العلماء ما يسمى بتكوين “الساندويتش”، والذي يقلل بشكل فعال من خطر الأكسدة أثناء المعالجة عن طريق إنشاء بيئة دقيقة ناقصة التأكسج دون الحاجة إلى بيئة خاملة أو مفرغة، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف ويبسط العملية. لقد استخدموا الماسين الأكثر استخدامًا على نطاق واسع والذي يعتمد على كربيد التيتانيوم، والذي تم تصنيعه بواسطة الحفر الكيميائي الرطب. الركيزة عبارة عن مادة البولي يوريثين الزجاجية واللدائن الحرارية. تم تطبيق ماكسين في شكل مشتت على ركيزة من البولي يوريثين لدن بالحرارة وتجفيفه بالهواء. بعد ذلك، يتم وضع النظام بين لوحين زجاجيين شفافين. يمر العلاج بالليزر من خلال الطبقة العليا من الزجاج، ثم يتم فصل هيكل “الساندويتش”، حيث يتم نقل الماكينات إلى كلا السطحين الملامسين، وتشكيل واجهات قوية معهم.
تشرح آنا ليبوفكا، الأستاذة المساعدة في كلية أبحاث التكنولوجيا الكيميائية والطبية الحيوية بجامعة تومسك للفنون التطبيقية: “يسمح هذا التكوين للماكينات بالالتصاق بالزجاج العلوي من خلال النقل العكسي وفي نفس الوقت بركيزة TPU من خلال النقل المباشر. علاوة على ذلك، تبين أن الالتصاق الناتج عن العلاج بالليزر أفضل بكثير من معالجة البلازما القياسية للركيزة”.
وأظهر تحليل الأسطح أن طريقة العلماء حافظت على البنية الأصلية للماسين مع تقليل أكسدة المادة بشكل فعال على كلا الركيزتين بفضل الطبقة الواقية الغنية بالكربون. والنتيجة هي أسطح موصلة متينة تحتفظ بخصائصها عند التعرض لفترة طويلة للرطوبة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة.
“لإظهار تنوع الطريقة وإمكاناتها العملية، قمنا بإنشاء نماذج من السخانات الكهروحرارية وأجهزة استشعار التنفس بناءً على الواجهات التي تم الحصول عليها. أصبحت السخانات شائعة بشكل متزايد في إنشاء النوافذ الذكية، ومصابيح الضباب، وإنتاج مواد بناء صديقة للبيئة، وما إلى ذلك. هنا، استخدمنا واجهة زجاجية كحد أقصى. بالنسبة لمستشعر التنفس، استبدلنا البولي يوريثين الحراري بالبولي إيثيلين تيريفثاليت، مع الحفاظ على جميع الظروف الأخرى. وتختتم إيفجينيا شيريميت: الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار القائمة على الماكين في تطبيقات العالم الحقيقي.