مکسین (MXene)

MXenes – تلفظ مکسین ها – برای اولین بار در سال 2011 کشف شد، سرامیک هایی هستند که یکی از بزرگترین خانواده های مواد دو بعدی را تشکیل می دهند.
مکسین ها از یک کریستال حجیم به نام MAX Phase ساخته می شوند. پیش از این کشف، مواد لایه‌ای دوبعدی مشتق‌شده از فازهای MAX یا غیر MAX پیش‌بینی نشده بود.

برخلاف اکثر سرامیک های دوبعدی، مکسین ها ذاتا دارای رسانایی خوب و ظرفیت حجمی عالی هستند زیرا ورقه های مولکولی هستند که از کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه مانند تیتانیوم ساخته شده اند. مکسین ها کاربردهایی از ذخیره انرژی گرفته تا پزشکی و اپتوالکترونیک پیدا کرده اند.

چیزی که مکسین ها را بسیار جالب می کند این واقعیت است که این کلاس مواد می تواند متشکل از میلیون ها آرایش ممکن از فلزات واسطه (مانند مولیبدن یا تیتانیوم)، کربن و نیتروژن باشد. البته مهم این است که آنهایی را پیدا کنید که پایدار هستند.

فاز مکس (MAX Phase)

خانواده بزرگی از کاربیدهای سه تایی وجود دارد (سه تایی صفتی است به معنای “متشکل از سه”) با فرمول کلی Mn+1AXn، که در آن n = 1-3، M نشان دهنده یک فلز واسطه است، A عنصری مانند آلومینیوم یا سیلیکون است. و X یا کربن یا نیتروژن است. محققان این سرامیک های انعطاف پذیر و قابل ماشین را فاز MAX نامیده اند.

اکتشاف مکسین ها

ساختارهای دو بعدی، مانند گرافن و دی سولفید مولیبدن، دارای خواص منحصر به فردی هستند. بنابراین، داشتن یک خانواده جدید از ساختارهای دوبعدی با طیف وسیعی از ویژگی ها می‌تواند راه را برای درک بهتر تفاوت‌های بین خواص مواد دو بعدی و سه بعدی باز کند و به شناسایی خواص مفید کاربیدهای دو بعدی، نیتریدها، اکسی کاربیدها و سایر ساختارهای مرتبط منجر شود و در نهایت منجر به کاربردهای جدید شود.

فازهای MAX سال‌هاست که مورد تحقیق قرار گرفته‌اند و ده‌ها کاربید، نیترید و کربونیترید لایه‌ای با خواص گوناگون سنتز شده‌اند.
با این حال، این سرامیک ها همیشه به عنوان مواد سه بعدی تولید می شدند تا اینکه محققان پودرهای تیتانیوم آلومینیوم کاربید (Ti₃AlC₂) را در اسید هیدروفلوریک در دمای اتاق قرار دادند تا به طور انتخابی آلومینیوم را حذف کنند. نتیجه این فرآیند شیمیایی – که به آن لایه‌برداری می‌گویند – نانوصفحات دو بعدی Ti₃C₂ را به دست می‌دهد که از آن زمان به عنوان MXene نامگذاری شده اند.
در مقاله ای در سال 2011 در Advanced Materials (“نانو کریستال های دو بعدی تولید شده توسط لایه برداری Ti3AlC2”)، محققان برای اولین بار تبدیل کاربید تیتانیوم-آلومینیوم سه بعدی، یک نماینده معمولی از فازهای MAX، به یک ساختار دو بعدی Ti3C2 با خواص ویژه را نشان دادند.

سنتز مکسین ها

مکسین ها با حذف انتخابی آلومینیوم از فازهای MAX لایه ای ایجاد می شوند. از طریق این فرآیند لایه برداری، لایه های کاربید به دو ورقه MXene با ضخامت چند اتم جدا می شوند.

MXene ها می توانند یون ها و مولکول های مختلف را بین لایه های خود با فرآیندی به نام intercalation قرار دهند که گاهی اوقات یک مرحله ضروری برای بهره برداری از خواص منحصر به فرد مواد است.

برای مثال، نشان داده شده است که قرار دادن یون‌های لیتیوم بین صفحات MXene باعث می‌شود که آنها مواد امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های لیتیوم یون و خازن‌های الکتروشیمیایی داشته باشند.

برای سنتز تکه های مکسین تک لایه، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه Drexel تکنیک اولیه خود را از سال 2011 با استفاده از اسید بهبود بخشیدند که آن را لایه برداری لایه با شرایط ملایم (MILD) نامیدند. آن‌ها برای حذف انتخابی لایه‌های آلومینیومی از بین لایه‌های MAX از اچانت نمک فلوراید و اسید هیدروکلریک استفاده کردند.

سپس مواد اچ شده را به صورت دستی تکان دادند تا لایه های کاربید تیتانیوم جدا و جمع شوند. هر لایه پنج اتم ضخامت دارد و از اتم های کربن تشکیل شده است که سه ورقه تیتانیوم را به هم متصل می کند.