Enhanced Electrical, Dielectric, and Optical Properties of Fe₂O₃-Decorated MWCNT/Epoxy Nanocomposite Thin Films

تعتمد الإلكترونيات الحديثة بشكل كبير على المواد التي يمكنها توصيل الكهرباء، أو تخزين الطاقة، أو التفاعل مع الضوء. ولعقود من الزمن، سعى المهندسون لتحسين هذه القدرات من خلال خلط مواد مختلفة معاً لإنشاء مواد جديدة ذات سمات متفوقة. ويتضمن أحد النهج الشائعة أخذ بلاستيك متين، يُعرف باسم البوليمر، وإضافة جزيئات دقيقة إليه. يمكن أن تكون هذه الجزيئات أنابيب كربون نانوية، وهي هياكل رفيعة للغاية على شكل أنابيب مكونة من ذرات الكربون، أو أكاسيد معدنية، وهي مركبات تحتوي على الأكسجين ومعدن. وعند خلط هذه الإضافات الدقيقة داخل مصفوفة بلاستيكية، يمكنها تحويل قدرة المادة على حمل تيار كهربائي أو تخزين شحنة كهربائية. وتعد هذه العملية حاسمة لتطوير مستشعرات أفضل، ودوائر إلكترونية أسرع، وأجهزة تخزين طاقة أكثر كفاءة. ويكمكم التحدي في إيجاد التوازن الصحيح: فإضافة القليل جداً من الجزيئات لن تفعل شيئاً، بينما إضافة الكثير منها قد يؤدي إلى تكتلها وإفساد أداء المادة.

في دراسة حديثة، شرع الباحثون في استكشاف كيف يمكن لمزيج محدد من المواد أن يحسن الخصائص الكهربائية والبصرية لنوع شائع من البلاستيك يسمى الإيبوكسي. وقد ركزوا على خليط من راتنج الإيبوكسي، وأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران، وجسيمات أكسيد الحديد النانوية. بدأ الفريق بإنشاء أغشية رقيقة من الإيبوكسي النقي ثم أضافوا تدريجياً كميات مختلفة من أنابيب الكربون النانوية لمعرفة كيف ستتغير المادة. وقد اختبروا تركيزات تتراوح من جزء ضئيل من المئة وصولاً إلى واحد ونصف بالمائة من الوزن. كان هدفهم هو تحديد الكمية الدقيقة من الأنابيب النانوية اللازمة لإنشاء المسار الأكثر كفاءة لتدفق الكهرباء عبر البلاستيك دون التسبب في تكتل الجزيئات. ووجدوا أن إضافة واحد بالمائة فقط من أنابيب الكربون النانوية حققت أفضل النتائج، مما عزز بشكل كبير قدرة المادة على توصيل الكهرباء وتخزين الطاقة الكهربائية مقارنة بالإيبوكسي العادي.

ولدفع الأداء إلى مستويات أبعد، أضاف الباحثون جسيمات أكسيد الحديد النانوية إلى الخليط الأفضل أداءً من الإيبوكسي وأنابيب الكربون النانوية. كانت هذه الخطوة تهدف إلى معرفة ما إذا كانت الجزيئات المعدنية يمكن أن تعمل مع أنابيب الكربون لإنشاء شبكة أفضل لنقل الشحنات الكهربائية. وأظهرت النتما أن هذا النهج الهجين كان فعالاً للغاية. فقد أظهرت المادة الجديدة، التي تحتوي على كل من أنابيب الكربون وجسيمات أكسيد الحديد، زيادة هائلة في قدرتها على تخزين الطاقة الكهربائية وتوصيل التيار المتردد. وقاس الباحثون قدرة المادة على تخزين الشحنة، والمعروفة بالسعة، ووجدوا أنها وصلت إلى قيمة 8.1 × 10⁻⁹ فاراد للمزيج الذي يحتوي على الأنابيب النانوية فقط، وارتفع هذا الرقم بشكل أكبر عند إضافة أكسيد الحديد. وبالمثل، فإن قدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية، والتي تُقاس بثابت العزل الكهربائي، قفزت من قيمة منخفضة في الإيبوكسي العادي إلى 71.5 في مزيج الأنابيب النانوية الأمثل، وارتفعت أكثر مع إضافة أكسيد الحديد.

كما درست الدراسة أيضاً كيفية تفاعل هذه المواد مع الضوء، وهو أمر حيوي للأجهزة التي تحتاج إلى اكتشاف أو انبعاث الضوء. قام الباحثون بتسليط الضوء عبر العينات المختلفة لمعرفة مقدار الطاقة المطلوبة لتحريك الإلكترونات داخل المادة، وهي خاصية تُعرف بفجوة النطاق. واكتشفوا أنه مع إضافة المزيد من أنابيب الكربون ثم جسيمات أكسيد الحديد، انخفضت كمية الطاقة اللازمة لتحريك هذه الإلكترونات بشكل كبير. فقد تطلب الإيبوكسي النقي 4.15 إلكترون فولت لتحريك إلكترون، بينما انخفض هذا المتطلب في الخليط النهائي الذي يحتوي على كلا المادتين المضافتين إلى 2.69 إلكترون فولت فقط. ويعني هذا الانخفاض أن المادة يمكنها التفاعل مع الضوء بسهولة أكبر، مما يجعلها مرشحاً قوياً للاستخدام في الأجهزة البصرية. كما لاحظ الفريق أن سطح المادة أصبح أكثر خشونة وترابطاً مع إضافة الجسيمات، مما خلق شبكة معقدة تساعد في توجيه تدفق الكهرباء والضوء.

طوال فترة التحقيق، استخدم الباحثون أدوات متنوعة لفهم ما يحدث داخل المادة. فقد فحصوا البنية البلورية للتأكد من ترتيب الجزيئات بشكل صحيح، واستخدموا المجاهر لرؤية كيفية توزيع أنابيب الكربون وجسيمات الحديد على السطح. ووجدوا أن الجسيمات لا تستقر بشكل عشوائي فحسب، بل تشكل شبكة معقدة حيث يبدو أن جسيمات أكسيد الحديد تعمل كجسور تسد الفجوات بين أنابيب الكربون النانوية. وفر هذا الهيكل المترابط مسارات أكثر لرحلات الشحنات الكهربائية، مما يفسر لماذا أصبحت المادة موصلاً وجهاز تخزين طاقة أفضل بكثير. وأكدت الدراسة أنه من خلال ضبط كمية أنابيب الكربون بعناية ثم إضافة كمية صغيرة من أكسيد الحديد، يمكن إنشاء فيلم رقيق يتمتع بخصائص كهربائية وبصرية محسنة للغاية. وتشير هذه النتائج إلى أن هذا المزيج المحدد من المواد يمكن أن يكون مفيداً جداً لبناء الجيل القادم من المكونات الإلكترونية والبصرية، مما يوفر وسيلة لجعل الأجهزة أكثر كفاءة وقدرة على التعامل مع المهام المعقدة.