Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

تُعد المواد ثنائية الأبعاد عائلة من المواد الرقيقة للغاية بحيث لا يتجاوز سمكها بضعة ذرات، ومع ذلك فهي تمتلك قوة وخصائص كهربائية مذهلة تجعلها قيمة لكل شيء، بدءاً من الحواسيب الأسرع وصولاً إلى البطاريات الأكثر كفاءة. ومن بين هذه المواد، استقطبت مجموعة محددة تسمى "المكسينات" (MXenes) اهتمام العلماء لأنها تتكون من طبقات من المعادن والكربون أو النيتروجين يمكن تقشيرها مثل صفحات الكتاب. لأكثر من عقد من الزمان، عرف الباحثون كيفية صنع هذه المواد من خلال البدء بكتلة صلبة من مركب ذي صلة، ثم التآكل الكيميائي لنوع واحد من الذرات لترك الطبقات خلفها. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة التقليدية بطيئة، وغالباً ما تتطلب مواد كيميائية خطرة، ولم تُستخدم إلا لصنع عدد محدود من الأنواع المحددة. وكان السؤال الكبير الذي يواجه هذا المجال هو ما إذا كانت القائمة المعروفة لهذه المواد كاملة حقاً، أم أن المكتبة الشاسعة للتاريخ العلمي تضم العديد من الأمثلة الأخرى التي صُنعت منذ زمن طويل ولكن تم تحديد هويتها بشكل خاطئ أو نسيانها ببساطة.

لقد أجاب فريق من الباحثين الآن على هذا السؤال من خلال الجمع بين أدوات الكمبيوتر الحديثة والكيمياء التقليدية للكشف عن مستودع مخفي من هذه المواد. بدأوا بتعليم برنامج كمبيوتر التعرف على "البصمة الذرية" المحددة للمكسينات، ثم طلبوا منه مسح قواعد بيانات ضخمة للهياكل البلورية التي سجلها العلماء على مدار القرن الماضي. وجد الكمبيوتر عشرات المركبات التي تنطبق عليها المواصفات تماماً ولكن لم يتم تصنيفها قط كمكسينات. ويطلق الباحثون على هذه المجموعة اسم "صندوق الكنز"، وهي تتكون من ثمانية وثلاثين مادة مختلفة تم تصنيعها منذ عقود ولكن تم التغاضي عنها لأنها صُنفت تحت أسماء مختلفة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن المساحة الكيميائية لهذه المواد أكبر بكما كان يُعتقد سابقاً، حيث تحتوي على متغيرات عديدة تشمل معادن أرضية نادرة وأنواعاً مختلفة من الذرات في نواتها، وليس فقط تركيبات الكربون والنيتروجين القياسية.

ولإثبات أن هذه المواد المنسية كانت حقيقية ويمكن صنعها مرة أخرى، لجأ الفريق إلى تقنية تصنيع سريعة ومستدامة تسمى "التخليق بالحرارة العالية ذاتية الانتشار". فبدلاً من استخدام أفران بطيئة وتستهلك طاقة كبيرة أو سوائل خطرة، قاموا بخلط مساحيق معدنية خام مع مكونات أخرى وأشعلوا الخليط بنبضة قصيرة من الكهرباء. وبمجرد أن يبدأ التفاعل، يولد التفاعل حرارته الخاصة المكثفة وينتشر عبر المادة مثل الموجة، مكملاً العملية بأكملها في دقائق معدودة دون الحاجة إلى أي مصدر طاقة خارجي. وباست using هذه الطريقة، نجح الفريق في إعادة إنشاء خمس مواد من قائمة "صندوق الكنز" الخاصة بهم، مما أكد إمكانية إنتاجها بسرعة ونظافة. كما استخدموا الرؤى المكتسبة من هذه العملية لإنشاء أحد عشر نوعاً جديداً تماماً من المكسينات لم تُصنع من قبل، وكلها تعتمد على عناصر أرضية نادرة مثل البراسيوديميوم والنيوديميوم.

وكشفت نتائج هذه التجارب أن هذه المواد التي يمكن الوصول إليها حديثاً تمتلك خصائص فيزيائية فريدة تختلف اختلافاً كبيراً عن النسخ القياسية. ووجد الباحثون أن المكسينات الجديدة القائمة على العناصر الأرضية النادرة تعمل كأشباه موصلات، مما يعني أنها تستطيع التحكم في تدفق الكهرباء بطرق مفيدة للأجهزة الإلكترونية. علاوة على ذلك، ولأن هذه المواد تحتوي على معادن أرضية نادرة، فإنها تظهر سلوكيات مغناطيسية متنوعة، حيث يعمل بعضها كمغانط وتظهر أخرى أنواعاً مختلفة من الترتيب المغناطيسي. وقد تحقق الفريق من هذه الخصائص من خلال فحص المواد تحت مجاهر قوية وقياس كيفية تفاعلها مع الضوء والصوت. وأظهرت الصور المجهرية أن الطبقات ظلت متميزة ومنظمة جيداً، مع ترتيب الذرات تماماً كما توقعت نماذج الكمبيوتر.

إن هذا العمل لا يقتصر فقط على إضافة أسماء جديدة إلى قائمة المواد؛ بل يوضح طريقة جديدة قوية لتسريع الاكتشاف العلمي. فمن خلال استخدام التعلم الآلي لغربلة السجلات التاريخية، أظهر الباحثون أن الإجابات على المشكلات الحديثة قد تكون موجودة بالفعل في البيانات القديمة، بانتظار التعرف عليها بالأدوات المناسبة. كما أثبتوا أنه يمكن صنع هذه المواد باستخدام طريقة سريعة وقابلة للتوسع تتجنب المخاطر البيئية للمعالجة الكيميائية التقليدية. وبينما ركزت الدراسة على تحديد وصنع هذه المركبات المحددة، فإن النهج نفسه يقدم خارطة طريق للعثور على مواد مخفية أخرى في الأرشيفات الشاسعة للمعرفة البشرية. وتشير النتائج إلى أن عائلة المواد ثنائية الأبعاد هي أكثر اتساعاً وتنوعاً مما كان متخيلاً سابقاً، مما يفتح الباب أمام مجموعة أوسع من التطبيقات في تخزين الطاقة، والإلكترونيات، وما وراء ذلك.