Geleceğin teknolojisi: İnsan saçından 100 kat ince iletken malzeme

ABD’li araştırmacılar, ‘MXene’ olarak bilinen çok yönlü iki boyutlu iletken nanomalzemeyi, saç telinden yaklaşık 100 kat daha ince olan ve ‘nanoscroll’ (nano sarmal) adı verilen tek boyutlu tüplere dönüştürmeyi başardı. Yüksek elektriksel iletkenlik sunan bu yeni yapı; enerji depolama sistemleri, biyosensörler ve giyilebilir teknolojilerde yeni bir çağın kapılarını aralıyor.

Malzeme biliminde devrim niteliğinde bir gelişme yaşandı. Yaklaşık 15 yıl önce keşfedilen iki boyutlu (2D) iletken nanomalzeme MXene, Drexel Üniversitesi’nden bilim insanlarının geliştirdiği yeni bir ölçeklenebilir üretim tekniği sayesinde tek boyutlu (1D) sarmallar haline getirildi. Advanced Materials dergisinde yayımlanan araştırmaya göre, bu yeni nano sarmallar, düz MXene levhalarından bile daha yüksek elektriksel iletkenlik sunuyor.

Araştırmanın yazarlarından Drexel Mühendislik Fakültesi Profesörü Dr. Yury Gogotsi, bu morfolojik değişimin önemini endüstriyel bir benzetmeyle açıklıyor: "Bu durumu, çelik levhaları metal borular veya inşaat demiriyle karşılaştırmaya benzetebiliriz. Araba gövdeleri yapmak için levhalara ihtiyaç duyulurken, su pompalamak veya betonu güçlendirmek için uzun borulara veya çubuklara ihtiyaç duyulur."

İYONLAR İÇİN 'OTOYOL' GÖREVİ GÖRÜYOR

Düz MXene levhaları kimyasal bir işlemden geçirilip rulo haline getirildiğinde, nano ölçekte boru benzeri içi boş bir malzeme elde ediliyor. Bu yapı, polimerleri veya metalleri güçlendirirken, iyonların pillerden veya su arıtma membranlarından çok daha düşük bir dirençle geçmesini sağlıyor.

Geleneksel 2 boyutlu MXene'lerde pulların birbirinin üzerine düz bir şekilde yerleştiğini ve bunun iyonların hareketini kısıtladığını belirten araştırmacı Dr. Teng Zhang, tüp şeklindeki açık geometrinin iyonların serbestçe hareket etmesine olanak tanıyan etkili 'otoyollar' oluşturduğunu vurguluyor.

ÖLÇEKLENEBİLİR YÖNTEM

Daha önce karbon nanotüpler gibi yapılar iyi incelenmiş olsa da, MXene'lerden benzer kıvrımlar üretmek oldukça zordu. Araştırmacılar, kimyasal ortamı sıkı bir şekilde kontrol ederek pulların yüzey kimyasını değiştiren asimetrik bir reaksiyon (Janus reaksiyonu) başlattılar. Bu işlem sonucunda katmanlar kendiliğinden soyularak sıkı tüp şeklinde kıvrımlar oluşturdu.

Ekip bu yöntemi kullanarak altı farklı MXene formundan nanokıvrımlar üretmeyi başardı ve her birinden tutarlı yapıya sahip yaklaşık 10'ar gramlık endüstriyel hammadde elde etti.

GİYİLEBİLİR TEKNOLOJİLER VE BİYOSENSÖRLER

Sarmal yapı, sadece iletkenlik ve dayanıklılık sunmakla kalmıyor, aynı zamanda sensör teknolojileri için de büyük avantajlar barındırıyor:

• Biyosensörler: Sarmalın içi boş yapısı, büyük biyomoleküllerin MXene yüzeyine kolayca erişmesini sağlayarak daha güçlü ve kararlı sinyaller elde edilmesine olanak tanıyor.
• Giyilebilir elektronikler: ‘İyonotronik’ cihazlar olarak da bilinen bu alanda, MXene sarmalları esnek polimerlerin içine yerleştirilerek bükülme ve hareket sırasında elektriksel bağlantıyı koruyan dayanıklı kompozitler oluşturuyor.
• Akıllı tekstiller: Çözelti içindeki nanokıvrımların yönelimi elektrik alanıyla kontrol edilebiliyor. Bu sayede iletken kaplamaya sahip fonksiyonel akıllı kumaşlar üretilebilecek.

SÜPERİLETKENLİK VE KUANTUM POTANSIYELİ

Çalışmanın en heyecan verici yanlarından biri de malzemenin kuantum özelliklerinde yatıyor. Bugüne kadar MXene sınıfındaki süperiletkenlik sadece preslenmiş toz peletleriyle sınırlı kalmıştı. Araştırmacılar, niyobyum karbür sarmalları kullanarak, oda sıcaklığında esnek filmlerde ve tellerde süperiletkenliği mümkün kılan ilk değişimi gözlemlediklerini duyurdu. Bu gelişme, kuantum sensörleri ve gelişmiş veri depolama sistemleri için devasa bir ticari potansiyel taşıyor.