لثني المادة دون كسرها

نجح باحثون من جامعة دريكسيل في الولايات المتحدة وجامعة داليان في الصين في إنتاج مادة نانوية جديدة موصلة للكهرباء، تتميز بالمرونة الكافية للطي، ولكنها قوية بما يكفي بحيث لا تنكسر. ويعتقد الباحثون أن المادة الجديدة يمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة، على سبيل المثال في تخزين الطاقة الكهربائية وتنقية المياه والحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح الباحثون في إنتاج مادة نانوية جديدة موصلة للكهرباء، تتسم بالمرونة الكافية للطي، ولكنها قوية بما يكفي لعدم الانكسار. ويعتقد الباحثون أن المادة الجديدة يمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة، على سبيل المثال في تخزين الطاقة الكهربائية وتنقية المياه والحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

نجح باحثون من جامعة دريكسيل في الولايات المتحدة وجامعة داليان في الصين في إنتاج مادة نانوية جديدة موصلة للكهرباء، تتميز بالمرونة الكافية للطي، ولكنها قوية بما يكفي بحيث لا تنكسر. ويعتقد الباحثون أن المادة الجديدة يمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة، على سبيل المثال في تخزين الطاقة الكهربائية وتنقية المياه والحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

يعد العثور على أو صنع مادة صغيرة قادرة على أن تكون مفيدة في تخزين ونقل التيار الكهربائي، ويمكن تشكيلها إلى أشكال متعددة، اكتشافًا نادرًا في مجال علم المواد. تعد قوة الشد (قوة المادة أثناء التمدد) وقوة الضغط (قدرة المادة على تحمل الوزن الموضوع عليها) من الخصائص المهمة لهذه المواد نظرًا لصغر حجمها جدًا، فإن هذه القيم تكاد تكون كاملة تعتمد على خصائصها الفيزيائية.

"خذ على سبيل المثال القطب الكهربائي الموجود في بطارية ليثيوم أيون صغيرة والذي يعمل على تشغيل ساعة اليد الخاصة بك؛ ومن الناحية المثالية، يجب أن تكون المادة الموصلة في هذا القطب صغيرة قدر الإمكان، لذلك لن ترتدي ساعة ضخمة وستظل قادرة على العمل لأطول فترة ممكنة. هندسة. "ولكن ماذا لو كنا مهتمين بتحويل سوار الساعة نفسه إلى بطارية؟ لذلك، ما زلنا نرغب في استخدام مادة موصلة تكون صغيرة الحجم وقادرة على تخزين الطاقة فيها، ولكن يجب أن تكون مرنة بما يكفي للالتفاف حول معصمك. وكما سترون، من خلال تغيير خاصية فيزيائية واحدة فقط للمادة - مرونتها أو قوة الشد - نحصل على عالم جديد من الإمكانيات." هذه المادة الجديدة والمرنة، والتي حددتها المجموعة على أنها مركب بوليمر نانوي موصل للكهرباء، هي أحدث منتج للبحث المستمر في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة دريكسيل في عائلة من المركبات ثنائية الأبعاد المعروفة باسم MXenes.

قام فريق البحث بفحص هذه المجموعة من المواد بعناية، مثلما قام عالم الحفريات بفحص الرواسب بعناية للكشف عن كنز علمي مدفون في الأرض. منذ اختراع مادة الكربيد ذات الطبقات في عام 2011، كان المهندسون يبحثون عن طرق للاستفادة من التركيب الكيميائي والفيزيائي للمادة من أجل إنشاء مواد موصلة مع مجموعة متنوعة من الخصائص المفيدة الأخرى.

واحدة من أنجح الطرق التي طوروها لمساعدة هذه المواد على إظهار نطاقها الكامل من القدرات هي عملية تعرف باسم الإقحام، والتي تتم خلالها إضافة مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية إلى الخليط في حالة سائلة. تسمح هذه العملية للجزيئات بالاستقرار بين طبقات المادة الطبقية وبالتالي تغيير الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة النهائية. ومن أكثر الخصائص إثارة للإعجاب، وأول ما اكتشفه الباحثون، قدرة هذه المواد على تخزين الطاقة.

من أجل إنشاء بوليمر موصل مرن، قام الباحثون بدمج كربيد التيتانيوم مع كحول البولي فينيل (PVA) - وهو بوليمر شائع الاستخدام كمادة لاصقة في صناعة الورق وكمكون في جل الشعر. بالإضافة إلى ذلك، قام الباحثون بدمج المادة مع بوليمرات أخرى، على سبيل المثال PDDA.

"إن تفرد هذه العائلة من المواد (MXenes) ينبع من أن سطحها مليء بمجموعات وظيفية، مثل مجموعة الهيدروكسيل، مما يؤدي إلى رابطة كيميائية قوية بين جزيئات المادة وجزيئات البوليمر، مع الحفاظ على التوصيل الكهربائي من الطبقات المنفصلة. ويوضح الباحث الرئيسي أن هذه التركيبة تؤدي إلى ظهور مادة نانوية مركبة ذات مزيج فريد من الخصائص. ونشرت نتائج البحث مؤخرا في المجلة العلمية Proceedings of the National Academy of Sciences، وضمنها أفاد الباحثون أن المادة تظهر قدرة متزايدة على تخزين الشحنة الكهربائية مقارنة بالمادة الأصلية وأنها أقوى بنسبة 400%. يقول الباحث الرئيسي: "لقد أظهرنا أن السعة الحجمية لمادة نانوية مركبة من بوليمر-مكسين يمكن أن تكون أعلى بكثير مقارنة بالأقطاب الكهربائية التقليدية القائمة على الكربون أو حتى مقارنة بمادة الجرافين". "عندما يتم خلط مادة MXene مع بوليمر PVA الذي يحتوي على كمية صغيرة من الملح الإلكتروليتي، يعمل البوليمر كإلكتروليت، ولكنه يعمل أيضًا على تحسين القدرة الكهربائية لأنه يزيد قليلاً من مساحة الطبقة البينية بين جزيئات MXene، مما يسمح لمزيد من الأيونات بالتدفق. اختراق عميقا في القطب. بالإضافة إلى ذلك، تظل هذه الأيونات أيضًا محاصرة بالقرب من جزيئات المكسيكين بمساعدة البوليمر. وبمساعدة هذه الأقطاب الكهربائية الموصلة وفي ضوء حقيقة عدم استخدام إلكتروليت سائل على الإطلاق، سنكون قادرين في النهاية على تجنب مجمعات التيار المعدنية تمامًا وتطوير مجمعات فائقة أخف وزنًا وأصغر حجمًا.

كما أظهرت التجارب أن التركيبة لها خصائص محبة للماء، مما يعني إمكانية استخدامها في أنظمة معالجة المياه، على سبيل المثال، كغشاء لتنقية المياه وتحلية المياه، حيث تظل المادة مستقرة في بيئة مائية دون أن تتلف أو تتحلل. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن المادة مرنة للغاية، فيمكن دحرجتها إلى شكل أنبوب أو أسطوانة، عندما أظهرت التجارب المبكرة أن هذا الشكل يزيد من قوتها الميكانيكية. ستكون الخطوة التالية للباحثين هي دراسة مدى تأثير التركيبات المختلفة للمادة MXene مع البوليمرات المختلفة على خصائص المادة الناتجة.

ملخص المقال

أخبار الدراسة