علماء صينيون يصنعون لأول مرة مادة MXene من اللانثانيدات ثنائية الأبعاد

أخبار ar.wedoany.com، تمكن فريق بحثي مشترك من مختبر مواد الطاقة النووية المتقدمة التابع لمعهد نينغبو للمواد والتكنولوجيا والهندسة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة تشجيانغ، ومختبر يونغجيانغ، من تصنيع مادة جديدة ثنائية الأبعاد تجمع بين الخصائص شبه الموصلة والمغناطيسية الحديدية لأول مرة، وذلك باستخدام استراتيجية تحرير الطبقات الفرعية "المقص الكيميائي" لـ"إدماج" عناصر اللانثانيدات في الشبكة البلورية لـ MXene، وهي مادة MXene من اللانثانيدات.

MXene هي فئة من المواد ثنائية الأبعاد من كربيدات أو نيتريدات أو كربونيتريدات المعادن الانتقالية، وتتميز بموصلية كهربائية ممتازة وخصائص كيميائية سطحية قابلة للضبط، مما يمنحها آفاق تطبيق واسعة في مجالات تخزين الطاقة، والحماية الكهرومغناطيسية، والتحفيز، والاستشعار. ومع ذلك، تعاني هذه المواد "النجمة" من قصور، فهي في الغالب موصلات معدنية، وتفتقر إلى بنية النطاق الخاصة بأشباه الموصلات، ونادرًا ما تمتلك ترتيبًا مغناطيسيًا. وهذا يحد من إمكانية توسيع نطاق استخدامها في الأجهزة الإلكترونية، والإلكترونيات المغزلية، وغيرها من المجالات.

اكتشف فريق البحث أن هاليدات اللانثانيدات الأحادية تمتلك بنية طبقية خاصة، تشبه البنية التحتية لـ MXene بعد إزالة طبقات ذرات الكربون. وبناءً على استراتيجية تحرير الطبقات الفرعية "المقص الكيميائي" التي اقترحوها سابقًا، طوروا مسارًا اصطناعيًا جديدًا يعتمد على الاستفادة من الاختلافات في الخواص الكيميائية للطبقات الفرعية داخل المركبات الطبقية، لتحقيق إزالة أو استبدال أو إعادة بناء طبقات ذرية محددة، وهو ما يشبه إعادة تجميع مكعبات ليغو على المستوى الذري وفقًا لتصميم محدد.

صمم الفريق تفاعلين معتدلين على خطوتين. في الخطوة الأولى، يتم تفاعل معدن اللانثانيدات مع كلوريد النحاس لإنتاج وسيط هاليد أحادي مطلوب في الموقع. في الخطوة الثانية، يتفاعل هذا الوسيط مع مسحوق الجرافيت في "رقصة" مشتركة تحت درجات حرارة عالية. في هذه المرحلة، "تتبرع" الإلكترونات المتمركزة بين طبقات الوسيط بنفسها، مختزلة ذرات الكربون في الجرافيت إلى أنيونات كربون رباعية التكافؤ (C^4-). بعد فقدان الإلكترونات، تضعف قوى الترابط بين الطبقات التي كانت تعتمد عليها الإلكترونات، فتنزلق أنيونات الكربون سالبة الشحنة بين طبقتين معدنيتين، لتحتل بدقة المواقع الثمانية السطوح الفراغية، مكونة في النهاية بنية بلورية جديدة كليًا لـ MXene بتسلسل تراص T-Ln-C-Ln-T.

أظهرت نتائج الاختبارات أن المادة الجديدة تمتلك في الوقت نفسه خاصيتي أشباه الموصلات والمغناطيسية الحديدية. هذه المواد ثنائية الأبعاد هي هدف طويل الأمد في مجال الإلكترونيات المغزلية، وتنطوي على إمكانات هائلة في مجالات الأجهزة المنطقية منخفضة استهلاك الطاقة، والاتصالات عالية التردد، وأجهزة الاستشعار المغناطيسية، وحتى الحوسبة الكمومية. تتميز استراتيجية التصنيع هذه بقابليتها للتطبيق العام، ومن المتوقع أن تمتد في المستقبل إلى معادن انتقالية أخرى، مما يفتح بابًا جديدًا لإثراء عائلة المواد ثنائية الأبعاد.