Enerji depolama ve elektronik sektöründe ‘mucize malzeme’ olarak adlandırılan MXenler (yüksek iletkenliğe sahip nanomalzemeler), yeni bir form kazanarak endüstriyel kullanım potansiyelini katladı. Drexel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nden bir araştırma ekibi, iki boyutlu (yassı) MXene levhalarını, ‘nanokıvrım’ (nanoscroll) adı verilen tek boyutlu ve tüp benzeri yapılara dönüştüren ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirdi.
Bu yeni yapısal dönüşüm, malzemenin elektriksel iletkenliğini artırırken, pillerde iyon hareketini hızlandırarak daha verimli enerji depolama çözümlerinin önünü açıyor.
‘ÇELİK LEVHA YERİNE İNŞAAT DEMİRİ’
Araştırmanın başında yer alan Prof. Dr. Yury Gogotsi, malzeme morfolojisinin performans üzerindeki etkisini inşaat sektöründen bir benzetmeyle açıkladı: "İki boyutlu yapı birçok uygulama için önemlidir ancak tek boyutlu formların üstün olduğu alanlar vardır. Bu durumu, çelik levhaları metal borularla veya inşaat demiriyle karşılaştırmak gibi düşünebilirsiniz. Hızlı taşıma veya mekanik takviye gerektiren yerlerde bu yeni form büyük avantaj sağlıyor."
Geliştirilen yöntemle MXene pulları tüpler halinde yuvarlanarak içi boş yapılar oluşturuluyor. Bu sayede malzeme hem iletkenliğini koruyor hem de polimer veya metalleri güçlendirmek için kullanılabiliyor.
İYON TRAFİĞİNDEKİ ENGELLER KALKTI
Mevcut teknolojide standart MXenler üst üste yığılmış yassı levhalar halindedir. Bu durum, iyonların veya moleküllerin katmanlar arasında hareket etmesini zorlaştırır. Drexel'den Dr. Teng Zhang, geliştirdikleri yöntemin bu sorunu çözdüğünü belirterek, "2 boyutlu nano tabakaları 1 boyutlu sarmallara dönüştürerek, sıkışıklık etkisini ortadan kaldırıyoruz. İçi boş yapı, iyonların serbestçe hareket etmesine olanak tanıyor" dedi.
Bu özellik, özellikle pil teknolojilerinde şarj hızını ve kapasiteyi artırmak için kritik bir öneme sahip. Ayrıca sarmal yapının sunduğu geniş aktif yüzey alanı, kimyasal algılama yapan biyosensörlerin hassasiyetini de artırıyor.
KİMYASAL 'JANUS' ETKİSİ
Araştırma ekibi, bu dönüşümü sağlamak için ‘Janus reaksiyonu’ olarak bilinen bir kimyasal dengesizlikten yararlandı. Su kullanılarak yüzey kimyasının değiştirilmesiyle oluşturulan iç gerilim, katmanların kendiliğinden ayrılarak sıkı sarmallar halinde kıvrılmasını sağladı. Titanyum karbür ve vanadyum karbür dahil olmak üzere altı farklı MXene türü üzerinde test edilen yöntem, hepsinde tutarlı ve başarılı sonuçlar verdi.
AKILLI KUMAŞLAR VE SÜPERİLETKENLİK
Çalışmanın bir diğer heyecan verici bulgusu ise elektrik alanlarının bu nanokıvrımları yönlendirebilmesi oldu. Bu özellik, milyonlarca nano tüpün hizalanarak bir tel veya fırça formuna getirilmesine, dolayısıyla akıllı tekstiller (smart textiles) ve giyilebilir teknolojilerde kullanılmasına imkan tanıyor.
Araştırmacılar ayrıca, niyobyum karbürden üretilen nanokıvrımlarda ‘süperiletkenlik’ davranışı gözlemlediklerini ve bu fiziksel mekanizmayı daha detaylı inceleyeceklerini bildirdi.
