انقلاب کم‌هزینه برای بازآفرینی مسیر تولید مواد دوبعدی پیشرفته

ایسنا/ پژوهشگران آمریکایی با الهام از یک مقاله فراموش‌شده چهار دهه‌ای، موفق شده‌اند روش جدیدی برای تولید MXeneها ارائه دهند؛ موادی دوبعدی با کاربردهای گسترده در ذخیره‌سازی انرژی، کاتالیزورها و فناوری‌های پیشرفته که این‌بار نه با اسیدهای خطرناک و هزینه‌های سرسام‌آور، بلکه با روشی «پایین‌به‌بالا» و تا صد برابر ارزان‌تر ساخته می‌شوند.

گروهی از پژوهشگران دانشگاه شیکاگو، دانشگاه ایلینوی شیکاگو و دانشگاه وندربیلت توانسته‌اند مسیر تولید MXeneها را به‌طور اساسی بازتعریف کنند. MXeneها که تنها ۱۴ سال از معرفی آن‌ها می‌گذرد، دسته‌ای از مواد دوبعدی رسانا هستند که به‌دلیل ساختار اتمی منحصربه‌فرد خود، توجه بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی را به خود جلب کرده‌اند؛ از باتری‌ها و ابرخازن‌ها گرفته تا محافظت الکترومغناطیسی، کاتالیزورها، مواد سبک فوق‌مقاوم و حتی جوهرهای رسانا.

با این حال، مسیر تولید این مواد پیشرفته تا امروز چندان هموار نبوده است. روش‌های مرسوم ساخت MXene‌ها مبتنی بر فرایندهای چندمرحله‌ای، دماهای بالا، استفاده از مواد بسیار خورنده مانند اسید هیدروفلوئوریک و تولید حجم زیادی پسماند شیمیایی بوده‌اند؛ مسیری پرهزینه، خطرناک و نامناسب برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ.

دیمیتری تالاپین، استاد مهندسی مولکولی و شیمی دانشگاه شیکاگو، در توضیح این چالش می‌گوید: روش‌های قبلی شاید برای پژوهش‌های آزمایشگاهی قابل‌قبول بودند، اما به مانعی جدی برای ورود MXene‌ها به کاربردهای صنعتی واقعی تبدیل شده بودند. به گفته او، ادامه این روند عملاً آینده تجاری این مواد را تهدید می‌کرد.

تیم پژوهشی به رهبری تالاپین، اکنون روشی کاملاً متفاوت ارائه داده است؛ روشی که MXene‌ها را «اتم به اتم» و به‌صورت پایین‌به‌بالا می‌سازد. در این روش جدید که نتایج آن در مجله Nature Synthesis منتشر شده، از فرایند رسوب‌دهی شیمیایی بخار برای تولید MXene‌ها استفاده شده است؛ رویکردی که بنا بر اعلام پژوهشگران، هزینه تولید را دست‌کم دو مرتبه بزرگی کاهش می‌دهد.

دی‌ان جیانگ، استاد مهندسی شیمی دانشگاه وندربیلت و از نویسندگان این مقاله، این دستاورد را فراتر از یک بهبود فنی می‌داند و تأکید می‌کند که این پژوهش در واقع یک روش جدید در سنتز شیمیایی را معرفی کرده است؛ روشی که با استفاده از پیش‌ماده‌های آلی تازه، امکان تولید کارآمدتر مواد دوبعدی را فراهم می‌کند.

جالب آن‌که الهام اصلی این پیشرفت، نه از پژوهش‌های مدرن، بلکه از مقاله‌ای کمترشناخته‌شده در سال ۱۹۸۶ آمده است. تالاپین توضیح می‌دهد که آن‌ها به مقاله‌ای قدیمی از جان کوربت، شیمیدان برجسته دانشگاه ایالتی آیووا، برخوردند که در آن روشی برای سنتز ترکیبات لایه‌ای کلرید–کاربید زیرکونیوم معرفی شده بود؛ موادی که از نظر ساختاری شباهت زیادی به MXene‌ها دارند، هرچند این نام سال‌ها بعد وارد ادبیات علمی شد.

MXene‌ها نخستین‌بار در سال ۲۰۱۱ توسط پژوهشگران دانشگاه درکسل معرفی شدند. این مواد در اصل لایه‌هایی از فلزات واسطه هستند که آن‌قدر نازک شده‌اند که عملاً دوبعدی محسوب می‌شوند. قابلیت ذخیره یون‌ها بین لایه‌ها و کنترل جریان آن‌ها، MXene‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی تبدیل کرده است.

نوآ میسون، دانشجوی دکتری و پژوهشگر این پروژه، توضیح می‌دهد که یکی از مزیت‌های کلیدی MXene‌ها، قابلیت تنظیم گروه‌های سطحی آن‌هاست؛ ویژگی‌ای که اجازه می‌دهد نوع یون‌های ذخیره‌شده، میزان پایداری آن‌ها و سرعت ورود و خروج یون‌ها با دقت کنترل شود. همین خصوصیت است که MXene‌ها را به بستری انعطاف‌پذیر برای نسل جدید باتری‌ها و ابرخازن‌ها تبدیل کرده است.

با این حال، روش‌های قدیمی تولید MXene‌ها شباهت زیادی به «تراشیدن یک کتاب از دل یک تکه چوب» داشتند؛ استعاره‌ای که رابرت کلی، استاد فیزیک دانشگاه ایلینوی شیکاگو، برای توصیف فرایندهای خشن و پراتلاف به کار می‌برد. در مقابل، روش جدید تیم پژوهشی، MXene را همان‌طور که باید ساخته شود تولید می‌کند: لایه‌به‌لایه، منظم و کنترل‌شده.

پژوهشگران پیش‌تر در سال ۲۰۲۳ نیز نسخه‌ای اولیه از این روش را منتشر کرده بودند، اما بازده و خلوص محصول هنوز پایین بود. دی وانگ، نویسنده اول این مقالات، می‌گوید که در آن مرحله، میزان MXene در محصول نهایی به سختی به ۶۰ درصد وزنی می‌رسید، در حالی که در پژوهش جدید این عدد به حدود ۹۰ درصد افزایش یافته است. به گفته او، تیم پژوهشی نه‌تنها واکنش جدیدی کشف کرده، بلکه به درک عمیق‌تری از «رازهای سنتز» این مواد دست یافته است.

مسئله ایمنی و هزینه نیز در این پیشرفت نقش کلیدی داشته است. پیش‌ماده‌ای که در کارهای اولیه استفاده می‌شد، یعنی تتراکلرید تیتانیوم، آن‌قدر واکنش‌پذیر بود که حتی به سرنگ‌های پلاستیکی آسیب می‌زد. در مقابل، روش جدید از تتراکلرواتیلن استفاده می‌کند؛ ماده‌ای ارزان، پایدار و رایج که حتی در فرایندهای صنعتی مانند کافئین‌زدایی قهوه نیز کاربرد دارد.

تالاپین معتقد است این پژوهش نمونه‌ای روشن از ارزش تحقیقات بنیادی است؛ پژوهش‌هایی که شاید سال‌ها بدون کاربرد مشخص باقی بمانند، اما در نهایت می‌توانند مسیرهای فناورانه کاملاً جدیدی را باز کنند. کنسرسیوم پژوهشی ام‌استار (M-STAR) که این پروژه در قالب آن انجام شده، بستری را فراهم کرده است تا شیمی‌دانان، فیزیک‌دانان و مهندسان شیمی با رویکردهای میان‌رشته‌ای، MXene‌ها را به سکوی نوآوری‌های آینده تبدیل کنند.