Enhanced nonlinear optical properties from Ti3AlC2 MAX to Ti3C2 MXene

تُعد الليزرات أدوات ذات دقة مذهلة، قادرة على قطع الفولاذ أو إجراء جراحات دقيقة للعين، ولكن للاستفادة القصوى منها، يحتاج العلماء غالباً إلى تقطيع شعاعها المستمر إلى نبضات سريعة وقوية. تعتمد هذه العملية، المعروفة باسم "النبض"، على مكون خاص يسمى "الممتص المشبع". فكر في هذا المكون كحارس بوابة ذكي للضوء: فعند انخفاض السطوع، يقوم بحجب الضوء، ولكن بمجرد أن يصبح الضوء أكثر سطوعاً، يصبح شفافاً فجأة، مما يسمح لاندفاع هائل من الطاقة بالهروب في ومضة واحدة حادة. لعقود من الزمن، بحث الباحثون عن مواد يمكنها العمل كحراس بوابة هذه عبر نطاق واسد من الألوان، من الطيف المرئي الذي نراه بأعيننا إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة غير المرئية المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية. والمادة المثالية يجب أن تكون رقيقة، ومرنة، وقادرة على التعامل مع هذه الومضات المكثفة دون أن تنهار، مما يفتح الباب أمام أنظمة ليزر أكثر قوة وتعدداً في الاستخدامات.

في دراسة حديثة، استكشف باحث في كلية شرطة شاندونغ في الصين كيفية سلوك عائلة معينة من المواد عند تحولها من شكل إلى آخر. كانت نقطة البداية هي مادة تسمى Ti3AlC2، والتي تنتمي إلى فئة من المركبات المعروفة باسم "أطوار MAX". تمتلك هذه المواد بنية طبقية فريدة، تشبه إلى حد ما الشطيرة حيث يتم تكديم أنواع مختلفة من الذرات في طبقات متكررة. ثم استخدم الباحث عملية كيميائية لإزالة نوع محدد من الطبقات بعناية — وهي طبقات الألومنيوم — من هذه الشطيرة. هذا التحول حول المادة الأصلية إلى مادة مختلفة تسمى Ti3C2، والتي تنتمي إلى عائلة أحدث من المواد تُعرف باسم "MXenes". كان السؤال المركزي بسيطاً ولكنه عميق: هل يؤدي تجريد هذه المواد من طبقات الألومنيوم إلى جعل المادة أفضل في التحكم في الضوء؟ وللإجابة على ذلك، قارن الباحث بين "الشطيرة" الأصلية والنسخة الجديدة المجردة جنباً إلى جنب، واختبر كيفية تعاملهما مع الضوء عند ثلاثة ألوان متميزة: اللون البرتقالي المحمر المرئي، والأشعة تحت الحمراء القريبة القياسية، وطول موجي أطول للأشعة تحت الحمراء القريبة.

بدأ التحقيق بتحضير كلتا المادتين في المختبر. بدأ الباحث بمسحوق من مادة Ti3AlC2 الأصلية وغمرها في محلول يذيب الألومنيوم بشكل انتقائي، تاركاً خلفه طبقات التيتانيوم والكربون. وبعد الغسل والتجفيف، تم تفتيت هذا المسحوق إلى صفائح رقيقة جداً ومسطحة باستخدام الموجات الصوتية والطرد المركزي، مما أدى إلى إنشاء معلق من الصفائح النانوية. وباستخدام مجاهر قوية، أكد الباحث أن التحول قد نجح؛ حيث أظهرت المادة الأصلية مظهراً طبقياً متكدساً، بينما بدت المادة الجديدة أكثر تمدداً وانفتاحاً، مع انفصال الطبقات بوضوح. وأظهرت قياسات السماكة أن كلتا المادتين يمكن تقليصهما إلى صفائح بسمك بضعة نانومترات فقط، وهي سماكة كافية لاعتبارهما ثنائيتي الأبعاد. كما أكد تحليل الأشعة السينية أن البنية الكيميائية قد تغيرت كما هو متوقع، حيث أظهرت المادة الجديدة نمطاً متميزاً يثبت أنه قد تمت إزالة الألومنيوم بنجاح.

بعد تحضير المواد، اختبر الباحث قدرتها على العمل كحراس بوابة للضوء. تضمنت التجربة تسليط ضوء ليزر بسطوع متفاوت عبر الصفائح الرقيقة وقياس كمية الضوء التي تمر من خلالها. كانت النتائج واضحة: عملت كلتا المادتين كممتصات مشبعة، مما يعني أنهما حجبتا الضوء الخافت لكنهما سمحتا للضوء الساطع بالمرور. ومع ذلك، كان أداء المادة الجديدة، Ti3C2، أفضل بكثير. فكلما أصبح الضوء أكثر سطوعاً، انفتحت المادة الجديدة بشكل أكثر فعالية من المادة الأصلية. أصبح هذا الفرق أكثر وضوحاً مع انتقال لون الضوء نحو الأطوال الموجية الأطول للأشعة تحت الحمراء القريبة. وعند أطول طول موجي تم اختباره، سمحت المادة الجديدة بتعديل أقوى للضوء، مما يعني أنها استطاعت التحول من الحجب إلى المرور بكثافة وتحكم أكبر. ظلت المادة الأصلية تعمل، لكن قدرتها على تعديل الضوء تلاشت مع زيادة الطول الموجي، بينما ظلت المادة الجديدة قوية وفعالة.

ولرؤية كيف ستعمل هذه المواد في تطبيق واقعي، قام الباحث ببناء نظام ليزر لكل لون ووضع كمية صغيرة من المادة داخل تجويف الليزر لتعمل كمولد للنبضات. عندما تم تشغيل الليزر، قامت المادة تلقائياً بتقطيع الشعاع المستمر إلى سلسلة سريعة من النبضات. وأظهرت النتائج أن المادة الجديدة أنتجت نبضات متفوقة في جميع المجالات. ففي طول موجة الأشعة تحت الحمراء القريبة المرئية (البرتقالي المحمر)، ولدت المادة الجديدة نبضات أقصر في المدة وحملت طاقة ذروة أعلى من تلك التي أنتجتها المادة الأصلية. وقد ظل هذا الاتجاه ثابتاً بالنسبة لطولي الأشعة تحت الحمراء القريبة أيضاً. أنتجت المادة الجديدة باستمرار نبضات أكثر حدة وطاقة؛ فعلى سبيل المثال، عند الطول الموجي المرئي، ولدت المادة الجديدة نبضات بطاقة ذروة بلغت 1.56 واط، بينما وصلت المادة الأصلية إلى 1.12 واط فقط. وعند أطول طول موجي للأشعة تحت الحمضاء القريبة، حافظت المادة الجديدة على عرض نبضة قدره 309.2 نانو ثانية، في حين كانت نبضات المادة الأصلية أعرض وأقل كثافة.

خلصت الدراسة إلى أن عملية إزالة طبقات الألومنيوم لم تغير الاسم الكيميائي للمادة فحسب، بل حسنت بشكل أساسي كيفية تفاعل المادة مع الضوء. فقد أثبتت مادة Ti3C2 الجديدة، بهيكلها المتمدد وخصائصها الإلكترونية المتغيرة، أنها حارس بوابة أكثر كفاءة لضوء الليزر. كما أظهرت قدرة أقوى على تعديل شدة الضوء وتوليد نبضات قصيرة وقوية عبر مجموعة واسعة من الألوان. وبينما كانت المادة الأصلية لا تزال وظيفية، إلا أن النسخة المحولة قدمت ميزة واضحة، لا سيما في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة حيث تعمل العديد من التقنيات الحديثة. تشير هذه النتائج إلى أن عملية تحويل أطوار MAX إلى MXenes هي استراتيجية قابلة للتطبيق لإنشاء مكونات بصرية أفضل. وتظهر المادة الجديدة إمكانات كبيرة للاستخدام في أنظمة الليزر المستقبلية التي تتطلب نبضات مستقرة وعالية الأداء عبر أطوال موجية مختلفة، مما يوفر مساراً واعداً لتطوير أجهزة بصرية أكثر تقدماً.