ساخت نانوکامپوزیت نوین پایه ZnO با استفاده از MXene به عنوان فاز تقویت کننده از طریق سینترینگ سرد
Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide (26 June 2018)
مواد 2-بعدی دارای خواص مکانیکی، الکتریکی و شیمیایی عالی هستند که موجب شده است در ساخت نانوکامپوزیت‌ها، به صورت گسترده‌ای از آن‌ها استفاده شود. افزودن درصد کمی از مواد 2-بعدی می‌تواند تغییرات شگرفی را در خواص مواد زمینه ایجاد کند که شامل استحکام، سختی و رسانایی می‌شود. اما نانوساختارهای 2-بعدی از نظر ترمودینامیکی با فرایندهای دما بالا/فشار بالا که برای چگالش سرامیک ها مورد نیاز است، سازگار نیستند و نمی‌توان از طریق روش‌های متداول از آن‌ها برای ساخت نانوکامپوزیت‌های پایه سرامیکی استفاده کرد. در حال حاضر، تنها نانوموادی را می‌توان در ساخت نانوکامپوزیت‌های سرامیکی به کار برد که پایداری حرارتی بالایی دارند (بالاتر از 800 درجه سانتیگراد در آرگون). فرایند سینترینگ سرد (Cold Sintering) یک فرایند دما پایین (کم‌تر از 300 درجه سانتیگراد) برای چگالش سرامیک‌ها است که محیط مناسبی را برای به کار بردن نانومواد و مواد 2-بعدی به عنوان فاز تقویت کننده، فراهم می‌کند. در این فرایند، سینترینگ با اعمال فشار بر فاز مایع در حالت گذار انجام می‌شود که در آن، در طول فرایند سینترینگ، فاز مایع تبخیر می‌شود. زمانی که فشار به صورت موضعی همراه با نیروهای مویینگی اعمال می‌شود، انتقال جرم ذرات سرامیک رخ می‌دهد که همراه با کاهش تخلخل، انرژی آزاد سطح را کاهش می‌دهد.
نانوساختارهای 2-بعدی مختلفی وجود دارد که شامل گرافن، سیلیسن، فسفورن، کالکوژنید و MXene می‌شود. در این بین، ساختارهای MXene دارای استحکام بالا بوده و رسانایی بالایی دارند که موجب شده به عنوان فاز تقویت کننده در سرامیک‌ها به کار روند. ساختارهای MXene نیتریدها و کاربیدهای فلز واسطه هستند که ترکیب لایه‌های آن‌ها، به صورت M(n+1)X(n)T(x است که در این رابطه، M یک فلز واسطه است (Ti، V, Nb, Ta, Cr, Mo و غیره)، X کربن یا نیتروژن است و n برابر با 1 تا 3 است. همچنین Tx گروه های عاملی بر روی سطح را نشان می‌دهد که مانند اکسیژن، گروه هیدروکسیل، یا فلوئور می‌باشد. این ترکیبات عموماً از طریق اچ کردن گزینشی لایه‌های خاص اتمی با استفاده از پیش ماده‌های لایه‌ای آن‌ها در اسیدهای دارای فلئورید، ساخته می‌شوند.
اما در پژوهش چشمگیری که در مجله Advanced Materials منتشر شده است، محققین با بهره بردن از مزایای روش سینترینگ سرد، توانسته‌اند نانوکامپوزیت پایه ZnO را تولید کنند. از نانوساختار 2-بعدی Ti3C2Tx (که یک نوع MXene است) به عنوان فاز تقویت کننده استفاده شده است. گزارش شده است که این نانوکامپوزیت از طریق سینترینگ سرد در دمای 300 درجه سانتیگراد به 92-98% چگالی نظری رسیده است و همچنین توزیع یکنواخت مواد تقویت کننده 2-بعدی در طول مرزدانه‌های ZnO مشاهده شده است. با افزودن 5% از MXene، رسانایی الکتریکی این نانوکامپوزیت تا 2 برابر نسبت به فاز زمینه افزایش یافت. علاوه بر آن، در نانوکامپوزیت دارای 0.5% از MXene، سختی به میزان 40 تا 50% افزایش یافت و با استفاده از 5% از MXene، مدول الاستیک بیش از 150% افزایش یافت. نتایج این پژوهش در رابطه با چگالش موفقیت آمیز نانوکامپوزیتZnO-MXene تایید کرد که سینترینگ سرد سرامیک‌ها با مواد 2-بعدی می‌تواند روش بسیار مهمی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های نوین با کاربردهای بسیار متنوع باشد.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes)
