Antioxidant-Assisted Suppression of Oxidation and Sedimentation in Ti₃C₂Tₓ MXene Dispersions

تخيل عالماً يعتمد فيه الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية —الحواسيب الأسرع، والمستشعرات الأكثر ذكاءً، ووسائط تخزين الذاكرة الأكثر كفاءة— على مادة رقيقة للغاية، وتوصل الكهرباء بسهولة، ويمكن طلاؤها على الأسطح مثل الحبر. تُعرف هذه المادة باسم "ماكسين" (MXene)، وهي عائلة من البلورات ثنائية الأبعاد التي جعلت العلماء يشعرون بالحماس لإمكاناتها في إحداث ثورة في التكنولوجيا. ومع ذلك، تواجه هذه الصفائح الواعدة من الكربون والمعدن مشكلة مستعصية: فهي هشة في الهواء. فعند تعرضها للأكسجين والرطوبة الموجودين في غرفة عادية، تبدأ المادة في الصدأ، وتفقد قدراتها الكهربائية الخاصة وتتكتل في أكوام عديمة الفائدة. لقد جعل هذا التحلل السريع من الصعب تخزين المادة في شكل سائل، وهي خطوة ضرورية لتصنيع الأجهزة، لأن السائل يتفكك بسرعة وتترسب المادة في القاع. وبدون وسيلة لإبقاء هذه الصفائح معلقة ومحمية، يظل الحلم باستخدام هذه المواد في الإلكترونيات اليومية بعيد المنال.

وضع الباحثون في جامعة جواهر لال نهرو ومؤسسات أخرى في الهند هدفهم لحل هذه المشكلة المحددة المتمثلة في التحلل والترسب. فقد ركزوا على نوع شائع من "الماكسين" يسمى Ti3C2Tx، والذي يتم إنتاجه عن طريق إزالة طبقات الألومنيوم بعنافة من مسحوق أولي باستخدام مزيج من الأحماض. وبمجرد إزالة الألومنيوم، تبقى صفائح ترغب طبيعياً في البقاء معلقة في الماء، ولكن فقط إذا كانت محمية من الهواء. افترض الفريق أن إضافة مادة شائعة وآمنة تُعرف باسم مضاد للأكسدة قد تعمل كدرع. وتحديداً، اختاروا حمض الأسكوربيك، وهو الاسم الكيميائي لفيتامين (سي)، المشهور بقدرته على منع الأشياء الأخرى من التأكسد أو الصدأ. كان هدفهم بسيطاً: معرفة ما إذا كان خلط هذا الفيتامين في الماء مع صفائح "الماكسين" يمكن أن يمنع الصفائح من الصدأ والترسب، مما يحافظ على استقرار الخليط لأسابك بدلاً من أيام.

لاختبار هذه الفكرة، أعد العلماء أربع دفعات مختلفة من المادة. احتوت إحدى الدفعات على صفائح "الماكسين" فقط في الماء، لتكون بمثابة عينة ضابطة لإظهار ما يحدث بدون أي حماية. واحتوت الدفعات الثلاث الأخرى على نفس الصفائح ولكن مع إضافة كميات متزايدة من حمض الأسكوربك: كمية صغيرة، وكمية متوسطة، وكمية كبيرة. وضعوا هذه المخاليط في قوارير زجاجية شفافة وتركوها على رف في درجة حرارة الغرفة، وراقبوا العملية عن كثب لمدة أسبوعين. فحصوا القوارير يومياً، والتقطوا صوراً لمعرفة ما إذا كان السائل يصبح صافياً في الأعلى مع وجود طبقة من الوحل في الأسود، مما يشير إلى ترسب المادة. كما استخدموا أدوات علمية متنوعة لفحص لون المادة، وتركيبها الكيميائي، ومدى جودة توصيلها للكهرباء بمرور الوقت.

كانت النتائج مذهلة. فالدفعة غير المحمية، التي تحتوي فقط على الماء و"الماكسين"، بدأت في الفشل فوراً. ففي غضون أيام قليلة، أصبح السائل صافياً في الأعلى حيث تكتلت الصفائح وغاصت في القاع. وبحلول نهاية فترة الأسبوعين، كان الخليط قد انفصل تماماً، حيث ترسب ما يقرب من 80 بالمائة من المادة خارج السائل. وأكدت الاختبارات الكيميائية أن الصفائح قد صدأت بشدة؛ حيث تحولت الطبقات الناعمة والموصلة إلى شكل مختلف وأقل فائدة من أكسيد التيتانيوم. في المقابل، صمدت الدفعات المعالجة بحمض الأسكوربيك بشكل أفضل بكثير. حقق الخليط الذي يحتوي على الكمية المتوسطة من فيتامين (سي) أفضل أداء؛ فبعد أسبوعين، ظل هذا النموذج متجانساً إلى حد كبير، حيث ترسب حوالي 30 بالمائة فقط من المادة. ظل السائل داكناً وعكراً، وهي علامة على أن الصفائح الصغيرة لا تزال تطفو بحرية ولم تتكتل معاً.

تعمق العلماء لفهم سبب حدوث ذلك. استخدموا تقنية تقيس مقدار امتصاص السائل للضوء لتتبع حالة المادة. فقدت العينة غير المحمية أكثر من نصف قدرتها على امتصاص الضوء، وهي علامة على تحلل الصفائح. أما العينة التي تحتوي على الكمية المتوسطة من حمض الأسكوربيك، فقد احتفظت بأكثر من 80 بالمائة من قدرتها الأصلية على امتصاص الضوء. وقد اقترح هذا أن فيتامين (سي) نجح في التخلص من الأكسجين في الماء، مما منع صفائح "الماكسين" من التفاعل والصدأ. وأكد المزيد من التحليل باستخدام الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية هذه القصة؛ حيث أظهرت صفائح "الماكسين" غير المحمية علامات قوية على تكوين روابط جديدة مع الأكسجين، مما يعني تحولها فعلياً إلى صدأ. أما الصفائح المحمية، فقد احتفظت ببنيتها الكيميائية الأصلية، مع بقاء مجموعاتها السطحية وترتيبها الطبقي سليماً.

ولعل النتيجة الأكثر أهمية تتعلق بمدى قدرة المادة على توصيل الكهرباء. وبما أن الهدف هو استخدام هذه المادة في الإلكترونيات، فإن فقدان قدرتها على نقل التيار سيجعلها عديمة الفائدة. قام الفريق بصنع أغشية رقيقة من السوائل القديمة وقاسوا موصليتها. فقدت العينة غير المحمية أكثر من نصف قوتها الكهربائية، حيث انخفضت إلى أقل من نصف قوتها الأصلية. أما العينة الأكثر حماية، وهي التي تحتوي على الكمية المتوسطة من مضاد الأكسدة، فقد حافظت على 84 بالمائة من موصليتها الكهربائية الأصلية. يثبت هذا أنه من خلال وقف عملية الصدأ، استعاد الباحثون أيضاً الخاصية الأكثر قيمة للمادة. ووجدوا أن إضافة الكثير من مضاد الأكسدة لم يساعد بشكل أكبر؛ بل في الواقع، كان أداء العينة ذات التركيز الأعلى أسوأ قليلاً من العينة ذات التركيز المتوسط، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن المسحوق الزائد تسبب في التصاق الصفائح ببعضها بطريقة مختلفة.

يُظهر هذا العمل أن نهجاً بسيطاً ومنخفض التكلفة وصديقاً للبيئة يمكن أن يطيل عمر هذه المواد المتقدمة بشكل كبير. فمن خلال إضافة كمية محددة وصغيرة من حمض الأسكوربيك، تمكن الباحثون من كبح الأكسدة التي تدمر عادةً تشتتات "الماكسين" ومنع الصفائح من الترسب خارج السائل. تشير الدراسة إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تجعل من السهل جداً تخزين ونقل هذه المواد، مما يمهد الطريق لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية والمستشعرات وأنظمة الذاكرة المستقبلية. وبينما يشير الباحثون إلى أن طرقاً أخرى مثل تخزين المادة في فراغ أو في درجات حرارة منخفضة تنجح أيضاً، فإن نهجهم يقدم حلاً عملياً لا يتطلب معدات باهظة الثمن أو ظروفاً معقدة. وتؤكد النتائج أن التحكم في البيئة الكيميائية للسائل هو المفتاح للحفاظ على هذه الصفائح الصغيرة والقوية مستقرة وجاهزة للاستخدام.