Grafenin ötesi: MXene Devrimi
- ali Öner
- 7 Mar
- 7 dakikada okunur
Güncelleme tarihi: 8 Mar
İki boyutlu, ultra hafif ve süper güçlü bir karbon film olan grafen, 2004'teki keşfinden bu yana inovatif bir malzeme olarak kabul ediliyordu. Şimdi ise 2 boyutlu filmler hazırlanmasına imkan veren bir mucizevi madde buldular. MXene ve MAXene.
Nanoteknoloji dünyasında çığır açan MXene ve MAXene malzemeleri, geleceğin yenilikçi uygulamaları için vazgeçilmez birer bileşen haline gelmiştir. MXene'ler, iki boyutlu (2D) geçiş metali karbür, nitrit veya karbonnitrit yapılarından oluşur ve genellikle MAX fazlarından (M_{n+1}AX_n formülüyle ifade edilen, M: geçiş metali, A: A grubu elementi, X: karbon veya nitrojen) asitli aşındırma yoluyla elde edilir. Bu malzemeler, üstün elektrik iletkenliği, mekanik esneklik, yüksek yüzey alanı ve hidrofilik özellikleriyle enerji depolama cihazlarında (pil ve süperkapasitörler), elektromanyetik kalkanlamada, biyomedikal sensörlerde, elektronik deri ve suni deri kaplamalarında, optik alanlarda ve çevresel uygulamalarda (su arıtma gibi) devrim yaratmaktadır. Öte yandan, MAXene'ler (MAX fazlarının gelişmiş varyantları) yüksek sıcaklık dayanımı ve katalitik özellikleriyle MXene üretiminin temelini oluşturur, böylece nanoteknoloji ürünlerinin performansını maksimize eder. Bu yazıda aşağıdaki teknolojik uygulamalar hakkında bilgi sunulmuştur.; Giyilebilir Yapay e-Deri , Termal Biyo bazlı Deri Kaplama, Ultra Geniş Bant Antenler, Giyilebilir Biyo eletronikler, Gözlük Camları ve Lensler
Ultra geniş bantlı MXene antenler
Son dönem araştırmalar, MXene’leri tamamen baskılı bir anten mimarisine entegre ederek, esnek, hafif ve yüksek performanslı milimetre ultra geniş bant antenler olarak kullanmayı önceliyor. Bu çalışmanın merkezinde, metalik bir yapı ile dielektrik bir malzeme arasındaki arayüzde hapsolmuş ve düşük frekanslarda yüzey plazmonlarının davranışını taklit eden sahte yüzey plazmon polaritonlarının (SSPP) manipülasyonu yer almaktadır. Baskılı MXene yapılarında SSPP modlarının mühendisliği sayesinde, anten, elektromanyetik dalgaların daha iyi hapsolmasını ve yönlendirilmesini sağlayarak, son derece geniş bir frekans bandında verimli uçtan uca yayınıma olanak tanır. Bu yaklaşım, geleneksel metalik malzemeler ve sert alt tabakaların getirdiği sınırlamaları aşarak, anten tasarımının geleneksel paradigmalarını değiştirmektedir.
Sonuç olarak, giyilebilir cihazlara, katlanabilir elektroniklere ve gelişmiş kablosuz yetenekler gerektiren diğer yeni platformlara entegre edilebilen, son derece uyumlu bir anten elde ediliyor. Sonuç olarak mekanik testler, MXene ile basılmış antenlerin, elektriksel veya radyasyon performansında gözle görülür bir bozulma olmaksızın önemli ölçüde bükülme ve eğilmeye dayanabildiğini doğrulamaktadır. Özellikle önemli olan nokta, MXene tabanlı antenlerin, geleneksel metallerde yüzey pürüzlülüğü ve yüzey etkisi kayıpları nedeniyle tarihsel olarak üretim ve malzeme zorlukları yaratan milimetre dalga frekanslarında çalışmasıdır. MXenler düşük yüzey direncine ve son derece pürüzsüz işlenmiş filmlere sahiptir ve bu sorunları önemli ölçüde azaltır. Bu özellik, daha düşük ekleme kayıplarına ve genel anten verimliliğinin artmasına yol açarak, rakip teknolojilere göre belirleyici bir avantaj sağlar. Sektör uzmanları, tamamen MXene ile basılmış bu tür milimetre dalga antenlerin, akıllı tekstiller, implante edilebilir tıbbi sensörler ve artırılmış gerçeklik arayüzleri de dahil olmak üzere gelecekteki esnek iletişim cihazlarında temel bileşenler haline gelebileceğini öngörüyor.
MXene-Karbon Nanofiber Süperkapasitör
Sürekli gelişen enerji depolama teknolojisi alanında, araştırmacılar süperkapasitörlerin performansını önemli ölçüde artırabilecek malzemeler arayışındaydılar. Geniş bir bileşim ve kimya yelpazesine sahip olan MXene, süper kapasitör teknolojilerini geliştirmek için ideal adaylar olmalarını sağlayan özellikler sergiler.
Araştırmacılar, MXenleri kısa karbon nanoliflerle iç içe geçirerek, nanoliflerin dayanıklılığından ve iletkenliğinden yararlanarak MXene’lerin iyon taşıma yeteneklerini geliştirmişlerdir. Polianilin, kompozitin yük depolama kapasitesini düzenleyebilen, iyi bilinen bir iletken polimer olduğundan kompozit malzemeye entegrasyonu, işlevselliğe yeni bir boyut katmaktadır. Bu kombinasyon, daha yüksek kapasite ve geliştirilmiş enerji yoğunluğu elde etmesini sağlayan bu yeni kompoziti gelecek nesil süper kapasitörler için umut vadeden bir aday haline getirmekte ve ayni zamanda olağanüstü performans özelliklerine sahip pil benzeri bir enerji depolama cihazını ortaya çıkarmıştır.
Sonuçlar, MXene ile güçlendirilmiş kompozitin geleneksel süperkapasitör malzemelerine kıyasla daha yüksek kapasite sergilemekle kalmayıp, aynı zamanda gelişmiş hız kapasitesi ve kararlılık gösterdiğini ortaya koymaktadır.
Bu ve benzeri araştırmalar, süperkapasitörlerin ötesine geçerek esnek elektronik ve yenilenebilir enerji teknolojileri gibi alanlara uzanan bir dizi uygulama için kompozit malzemelerin optimizasyonunu hedefleyen gelecekteki çalışmalar için bir yol haritası sunmaktadır.
EMI kalkanları
Elektromanyetik girişim (EMI), teknoloji kullanıcıları tarafından nadiren fark edilir; muhtemelen bir mikrofondan veya hoparlörden gelen vızıltı sesi şeklinde kendini gösterir. Ancak, bu girişimi etkileyen unsurlar, antenler ve devreler gibi diğer elektrik bileşenleridir. Elektrik performansını düşürür, veri alışveriş hızlarını yavaşlatabilir ve hatta cihazların işlevini kesintiye uğratabilir.
Elektronik tasarımcıları ve mühendisleri, cihazlardaki elektromanyetik girişimi (EMI) kontrol altına almak için genellikle koruyucu malzemeler kullanırlar; bu, ya tüm devre kartını bakır bir kafesle kaplayarak ya da daha yakın zamanlarda tek tek bileşenleri folyo koruyucu ile sararak yapılır. Ancak bu stratejilerin her ikisi de cihazlara hacim ve ağırlık katar. Araştırmacılar, bakırdan çok daha ince ve hafif olan MXene malzemelerinin EMI kalkanlamasında oldukça etkili olabileceğini keşfettiler. MXene’ler adı verilen iki boyutlu malzemeler ailesinin bir parçası olan Titanyum karbonitrit etkileyici mukavemet, yüksek elektriksel iletkenlik ve moleküler filtreleme yetenekleri de dahil olmak üzere bir dizi olağanüstü özelliğe sahiptir. Titanyum karbonitritin bu olağanüstü özelliği, elektromanyetik girişimi, çoğu elektronik cihazda kullanılan metal folyolar da dahil olmak üzere bilinen herhangi bir malzemeden daha etkili bir şekilde engelleyebilmesi ve emebilmesidir.
İnsan saç telinin kalınlığından çok daha ince olan titanyum karbonitrit malzemesinden yapılmış bir film, elektronik cihazlarda tipik olarak kullanılan benzer kalınlıktaki bakır folyoya kıyasla elektromanyetik girişim (EMI) parazitini yaklaşık 3-5 kat daha etkili bir şekilde engelleyebiliyordu. Apple gibi şirketler birkaç yıldır bu çalışmalara stratejilerinin bir parçası olarak yer veriyor ve deniyorlar.
Östrojen seviyesini ölçen Giyilebilir devreler
Östrojen olarak bilinen seks hormonu, kadın sağlığı ve doğurganlığının birçok yönünde önemli bir rol oynar. Vücuttaki yüksek östrojen seviyeleri meme ve yumurtalık kanserleriyle ilişkilendirilirken, düşük estradiol seviyeleri osteoporoz, kalp hastalığı ve hatta depresyona yol açabilir. (Östrojen, en güçlü formu estradiol olan bir hormon sınıfıdır). Estradiol ayrıca kadınlarda ikincil cinsel özelliklerin gelişimi için gereklidir ve üreme döngüsünü düzenler.
Çok sayıda işlevi nedeniyle, östrojen hormonu kadın sağlığı bakımının bir parçası olarak doktorlar tarafından sıklıkla özel olarak izlenir, ancak bu genellikle hastanın bir kliniği ziyaret etmesini ve laboratuvarda analiz için kan örneği vermesini gerektirir. Evde yapılan test kitleri bile kan veya idrar örneklerinin bir laboratuvara postayla gönderilmesini gerektirir.
MXene mürekkepler ise giyilebilir teknoloji elektronikleri alanında geniş bir kullanım imkanı sağlıyarak yukarıdaki testleri daha hızlı ve ulaşılabilir bir çözüme kavuşturabiliyor.
Esnek bir plastik membran üzerine inşa edilen nano malzemeli film az miktarda teri sensöre yönlendirmek için küçük oyulmuş geçitlere (mikroakışkanlar) sahiptir; ve sensöre geniş bir yüzey alanı ve elektriksel iletkenlik kazandırarak hassasiyetini artıran mürekkep püskürtmeli altın nanopartiküller ve titanyum karbür (MXene'ler olarak bilinir) içerir. Laboratuvarda yapılan testler, sensörün üreme döngüsü boyunca terdeki östradiol seviyelerindeki değişimleri, adet dönemindeki en düşük seviyeden yumurtlama dönemindeki en yüksek seviyeye (10 kat daha fazla) kadar güvenilir ve doğru bir şekilde takip edebildiğini göstermiştir.
Yakın bir gelecekte tüm bu sensörlerin küçülerek, parmağa takılabilen göze çarpmayan bir yüzük gibi küçük bir giyilebilir cihaza sığacak hale gelmesi herhalde süpriz olmayacaktır.
Giyilebilir Yapay e-Deri
İnsan derisini dayanıklılık, esneklik ve hassasiyet açısından taklit eden bir malzeme, biyolojik verileri gerçek zamanlı olarak toplamak için kullanılabilir mi? Eğer mümkün olabilirse elektronik deri veya e-deri, yeni nesil protezlerde, kişiselleştirilmiş tıpta, yumuşak robotikte ve yapay zekada önemli bir rol oynayabilir.
Elektronik derilerin çoğu, insan derisine yapışan esnek bir yüzey üzerine aktif bir nanomalzeme (sensör) katmanlanarak üretilir. Bununla birlikte, bu katmanlar arasındaki bağlantı genellikle çok zayıftır. Ancak bunu aşmak için güçlü ve esnek bir alt tabaka olarak silika nanopartiküllerle güçlendirilmiş bir hidrojeli ve algılama katmanı olarak 2 boyutlu titanyum karbür MXene, yüksek iletkenliğe sahip nano telciklerle birleştirilerek dayanıklı bir elektronik deri geliştirilmiştir.
Prototip elektronik deri, 20 santimetre uzaklıktaki nesneleri algılayabiliyor, uyaranlara saniyenin onda birinden daha kısa sürede tepki verebiliyor ve basınç sensörü olarak kullanıldığında üzerine yazılan el yazısını ayırt edebiliyor. Bu yapay deri 5.000 deformasyondan sonra bile iyi çalışmaya devam etmiş ve her seferinde yaklaşık çeyrek saniyede eski haline dönmüştür.
Bu tür elektronik deriler, atardamarlardaki titreşimlerden büyük uzuvların ve eklemlerin hareketlerine kadar kan basıncındaki değişiklikler gibi çeşitli biyolojik bilgileri izleyebilir. Bu veriler daha sonra Wi-Fi aracılığıyla bulutta paylaşılabilir ve depolanabilir.
Gözlük Camları ve kontakt lensler
Günümüzün aşırı bağlantılı çağında, kablosuz cihazların yaygınlaşması, benzeri görülmemiş düzeyde elektromanyetik radyasyona (EMR) maruz kalmaya yol açarak, insan sağlığı üzerindeki uzun vadeli etkileri konusunda ciddi endişeler doğurmuştur.
Sürekli EMR maruziyetine en duyarlı organlardan biri de, akıllı kontakt lensler gibi giyilebilir elektronik cihazlar kullanılırken doğrudan maruz kalan gözlerdir.
Yapılan çalışmalarda yalnızca olağanüstü elektromanyetik koruma sağlamakla kalmayıp aynı zamanda optik netliği ve biyouyumluluğu da koruyan MXene entegre kontakt lensler geliştirilerek yeni bir yaklaşıma öncülük edilmiş ve giyilebilir göz sağlığı alanında önemli bir ilerleme kaydedilmiştir.
Çalışmanın en dikkat çekici bulgularından biri, %93'e varan elektromanyetik koruma verimliliğiydi; bu, benzer kalınlıklardaki biyolojik olarak uyumlu malzemeler için rekor bir değerdir.
Sadece koruma sağlamanın ötesinde, MXene kaplamalar dehidrasyon direnci yoluyla ek bir koruma katmanı sağlayarak lenslerin dayanıklılığını ve uzun süreli kullanımda konforunu artırıyor.
Bu çığır açan gelişme, giyilebilir elektronik lenslerin güvenlik profilini iyileştirmekle kalmıyor, aynı zamanda gelişmiş iki boyutlu malzemelerin biyoelektronik ve akıllı giyilebilir cihazlar alanına entegrasyonunu da hızlandırıyor. Yüksek performanslı nanomalzemeler ve biyolojik dokular arasında kusursuz bir arayüz oluşturarak, bu MXene kaplı lensler, insan fizyolojisini izleyebilen, koruyabilen ve onunla etkileşim kurabilen yeni nesil cihazların ön saflarını temsil ediyor. Bu tür lensler, yalnızca oftalmolojiyi değil, aynı zamanda kişiselleştirilmiş tıbbı, spor takibini ve artırılmış gerçeklik arayüzlerini de devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahip.
Termal yapay Deri Kaplamalar
Isı tutma ve antibakteriyel özelliklere sahip, biyolojik ve su bazlı poli(vanilin-bütil akrilat)/MXene deri kaplamalar MXene’lerin bir diğer uygulama alanı olarak öne çıkıyor. Yapılan çalışmalarda metakrilatlı vanilin (MV) adı verilen, çözücü içermeyen, biyolojik bazlı bir antibakteriyel madde ve aromatik monomeri (MV'nin butil akrilat (BA) ile kopolimerizasyonu yoluyla su bazlı biyo-bazlı P(MV–BA) ) başarıyla sentezlenerek yeni bir kaplama oluşturuldu. Bu yenilikçi bileşik, deri kaplamalarına antibakteriyel özellikler kazandırmakla kalmıyor, aynı zamanda petrol bazlı kanserojen stiren (St) için çevre dostu bir alternatif görevi de görüyordu. Miniemülsiyon polimerizasyon yöntemi, zararlı çözücülerden arındırılmış, çevre dostu bir kaplama malzemesinin üretilmesini mümkün kılmaktadır. Miniemülsiyonunun performansını artırmak için formülasyona MXene nano tabakaları eklenmiş ve oluşan MXene nano tabakalarının deri kaplamaların yüzeyine göçü ona önemli bir antibakteriyel etkinlik ve yüzey sıcaklığında dikkat çekici bir artış sağlayarak sonuçlanmıştır. MXene nanosheet'lerinin dozajı %1,4 (w/w) oranında olduğunda, P(MV–BA)/MXene nanokompozit miniemülsiyon ile kaplanmış derinin yüzey sıcaklığının kış dış mekan koşullarında yaklaşık 15 °C arttığını göstermiştir. Ayrıca MXene nanosheet'lerinin eklenmesi, kaplamaların hava geçirgenliğini, su buharı geçirgenliğini ve termal stabilitesini iyileştirmiştir. Bunun dışında deri için biyolojik bazlı nanokompozit kaplamaların geliştirilmesi sadece yeni ve sürdürülebilir bir yaklaşım sunmakla kalmayıp, aynı zamanda kış aylarında güneş ışığına dayalı sıfır karbonlu ısıtma potansiyeli de sunmaktadır.
Bunun dışında minimum miktarda MXene ile bile, kaplanmış kumaşlar yeterli iletkenlik göstererek, Joule ısıtma, gerilim algılama ve kızılötesi (IR) kamuflaj dahil olmak üzere çok sayıda uygulama için potansiyellerini ortaya koymaktadır
Kendi kendini onaran Kompozitler
Kompozitler, tanım gereği, birden fazla bileşenden oluşur. Karışım kuralları, bir bileşenin diğerine oranının değişebileceğini, ancak kompozitin fiziksel özelliklerinde bir sınır olduğunu söyler.
Buna göre eğer İletken bir polimer kompozitiniz varsa, polimer ve metal bileşiğinin miktarları karışım kuralıyla sınırlıdır. Ama eğer bir biyopolimer ve atomik olarak ince bir iletken malzemenin kendi kendine bir araya gelerek organize olmalarına izin verilirse ne olur? Bu iletken malzeme birkaç molekül kalınlığında bir metal tabakası olan iletken titanyum karbür 2D MXene'den başkası değildi.
Bu katmanlı kompozit kendi kendine birleşir ve polimer, metal katmanlar arasındaki mesafeyi düzenler. Bunun sonucunda ise proteinlerin genetik mühendisliğini kullanarak, kompozit oranlarını değiştirmeden iletken katmanların katmanlar arası mesafesini kontrol edebilmesine imkan sağlanıyor ve kendi kendine birleşen kompozitlerin yolu açılıyor.
Mxene ve MAXene ürünlerimiz hakkında bilgi almak, uygulamalarınızda kullanmak ve satınalmak için bize ulaşınız. ali@onerdanismanlik.co http://www.onerdanismanlik.co
MXene, MAXene ürünleri Türkiye resmi temsilcisi olduğumuz Nanoshel LLC ve Nanochemazone Inc. tarafından satılmaktadır.
Öner Danışmanlık, 40 yılı aşkın uluslararası sektör tecrübesiyle, nanoteknoloji ve ileri malzeme teknolojileri alanında aşağıdaki uluslararası işbirlikleri ile Medikal, Savunma, Güvenlik, Enerji ve Sanayi alanlarında faaliyet göstermektedir. Dünyanın önde gelen nano malzeme ve teknoloji üreticilerinin Türkiye resmi temsilciliğini yürütmekteyiz.
Türkiye Resmi Temsilcisi olduğumuz Nano Teknoloji Firmaları:
Nanochemazone Inc.
BioChemazone Inc.
Nanoshel LLC
LayerOne Materials
Nanovations Pty
Yazımızdaki içeriklerikler için kullanılan kaynaklar aşağıdadır.
Çok yeni ve çok iyi dediğimiz teknolojiler çok kısa süre içinde yerini daha iyiye bırakıyor..