MXene’ler: İki boyutlu geçiş metali karbürleri, nitrürleri ve karbonitrürleri

ROKETSAN tarafından altı ayda bir yayımlanan “ROKETSAN Dergi”nin 18. sayısında, ROKETSAN Çok İşlevli Malzeme Teknolojileri ve Malzeme Karakterizasyonu Biriminde mühendis olarak görev yapan Begüm Beril İncecik ve yönetici mühendis olarak görev yapan Dr. Sıla Güngör’ün kaleme aldığı bir makaleye yer veriliyor.

“ROKETSAN Dergi”nin 18. sayısına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “MXene’ler: İki Boyutlu Geçiş Metali Karbürleri, Nitrürleri ve Karbonitrürleri” başlıklı yazıyı, takipçilerimize sunuyoruz:

MXENE’LER: İKİ BOYUTLU GEÇİŞ METALİ KARBÜRLERİ, NİTRÜRLERİ VE KARBONİTRÜRLERİ

İki boyutlu malzemeler ailesinin hiç kuşkusuz en popüler, en bilinen üyesi Grafen’in ardından bu aile sürekli genişliyor. 2004’te Novaselov ve Geim tarafından çalışılan ve ekibe Nobel getiren tek atom kalınlığındaki hekzagonal karbon atomlarının oluşturduğu tek katmanlı nanomalzeme namıdiğer “Grafen’imiz” ilk göz ağrısı olmaya devam etse de iki boyutlu malzemeler ailesi genişlemeye devam ediyor!

Sürekli genişlemekte olan aileye son eklenen üyelerden biri ise MXene’ler. MXene’ler de aileye 2011 yılında Drexel Üniversitesi’ndeki Prof. Dr. Yury GOGOTSI ve Prof. Dr. Michel W. BARSOUM’un çalışma grupları iş birliğinde sentezlenerek katılan ve son dönemin en dikkat çeken üyelerinden. Drexel Üniversitesi’nin gururla Exel magazine adlı üniversite dergilerinde “İki Boyutlu Bir Yıldız Doğdu” başlığıyla sundukları MXene’ler o kadar geniş potansiyel barındırıyor ki Dr. Barsoum “Kötü bir günümde oturup size prensipte üretebileceğimiz 100 çeşit MXene türü listeleyebilirim” diyor!

Peki nedir bu MXene’ler?

 MXene’lere iki boyutlu, çok iletken geçiş metali karbür/ nitrür/karbonitrürleri (İng. transition metalcarbides/nitrides) olarak tanımlanabilir. Ancak yapılarında –O,-OH, -F gibi fonksiyonel gruplar mevcut olduğundan bu hidroksil ya da oksijenle biten gruplar onlara hidrofilik özellik kazandırmaktadır. Bu uç grupların olması sayesinde MXene’ler hem suda disperse olabilmekte, hem kompozitlerde matrise kolay entegre edilebilmekte, hem de iletkenliklerinden hiç ödün vermemektedir. Tüm bu sebeplerden dolayı MXene’ler katyon transferi ve eklenmesinin çok kolay olduğu ‘iletken killer’ olarak da adlandırılabilmektedir.

Şekil 1’deki cipsi andıran katmanlı yapı (İng. layered structure) tesadüfi bir şekilde elde edilmiyor. MAX fazı denilen fazın seçimli bir şekilde, itinayla (burası önemli çünkü gerçekten agresif asitlerle çalışmak durumunda kalınıyor!) aşındırılması sonucunda (İng. selective etching) biraz da sonikasyon işleminin ardından el emeği göz nuru tek katmanlı, tek atom kalınlığında MXene elde edilmiş oluyor (Şekil 2).

MAX fazı nedir dediğinizi duyar gibiyiz. Şöyle ifade edelim; burada MAX fazı ile kastedilen Şekil 3’teki renklerle periyodik tabloda görüldüğü gibidir; M: İlk kısım geçiş elementleri (kırmızı ile gösterilenler), A:A grubu elementleri (Şekil 3’te mavi ile gösterilenler) ve X: Karbon ya da Nitrojendir (gri ile gösterilenler). Genel formülleri Mn+1AXn olup n=1, 2 veya 3’tür. Katmanlı üçlü metal karbür ve nitrürler (İng. layered ternary metal carbides and nitrides) MAX fazı olarak bilinir.

Şimdiye kadar 12 geçiş metalinin (Şekil 3’te kırmızı ile gösterilenlar), 12 A grubu elementinin (Şekil 3’te mavi ile gösterilen) ve karbon ve azotun çeşitli kombinasyonlarıyla M2 AX, M3 AX2 , veya M4AX3 yapılı 100 civarı MAX fazı rapor edilmiştir. Bu MAX fazlarından A katmanının seçimli aşındırma ile ayrılmasıyla 30 civarı MXene fazı sentezlenebildiği gibi (Şekil 3’te yeşil olarak yazılanlar) birçoğu da teorik olarak simülasyonlarla (Şekil 3’te siyah ile yazılanlar) elde edilmiştir.

Nasıl elde ediliyor bu MXeneler?

MXenelerin eldesinde de genel olarak tüm nanomalzemelerde olduğu gibi tepeden aşağıya (İng. top down approach) ve tabandan yukarıya (İng. bottom up approach) yaklaşımlar mevcuttur. Tepeden aşağıya yaklaşımların hemen hemen hepsi A katmanını seçimli bir şekilde aradan kaldırmak için aşındırma (İng. etching) prosesleri içerir. Bu aşındırma prosesleri kullanılan kimyasalın tipine göre hidroflorik asit ile aşındırma, florür tuzları ile aşındırma, alkalilerle aşındırma ve diğer kimyasallarla aşındırma olarak sıralanabilir. Seçimli Aşındırma proseslerinde kullanılan kimyasallar değişken olsa bile temel mantık aynıdır. Şekil 4’te görüldüğü üzere öncelikle MAX fazından A elementleri aşındırma prosesleri ile ayrılır ve sonrasında katmanlar arasını ayırma (delaminasyon) işlemi sonikasyon ve benzeri bir süreçte gerçekleştirilir. Şekil 4’te bir geçiş metali karbürünün sentez aşamaları şematik ve elektron mikroskobu görüntüleri üzerinden sergilenmektedir.

MXene’ler Hangi Özellikleri ile Ne Tür Uygulamalarda Kullanılıyorlar?

Savunma Sanayii için Neden Önemli? MXene’lerin ilk üreticilerinden Yury Gogotsi’nin geçtiğimiz yıl akademiye ve sektöre bir haykırış olarak yayınladığı “MXene’lerin Yükselişi” adlı makalesinde yer alan malzeme özellikleri ve potansiyel uygulamaları saymakla bitmiyor. Şöyle ki yapısaldan, biyomedikale, elektromanyetikten, enerji ve optiğe kadar MXene’lerin birçok alana hizmet edeceğini vurguluyor. Her geçen yıl MXene’lerin yeni özellikleri ve bu özelliklere yönelik yeni uygulama alanları saptanmakta, yapılan çalışmalar ve çıkan yayınlarla birlikte hem akademide hem de sektörde bu malzemelere ilgi yoğunlaşmaktadır.

MXene'ler, geçiş metali karbürlerinin/nitrürlerinin yüksek elektriksel iletkenliği ve mekanik özellikleri dâhil olmak üzere benzersiz bir özellik kombinasyonuna sahiptir. MXene’ler özetle; yüzey / arayüzey ve membran uygulamalarında, suda stabil koloidal çözeltiler elde etmede, elektromanyetik dalgaların kalkanlanmasında, yazdırılabilir antenler dahil olmak üzere birçok elektromanyetik uygulamada, enerji depolama uygulamalarında, elektronik ve optikte, sensör teknolojisinde ve tabii ki kompozit yapılara entegre edildiğinde yapısal, mekanik uygulamalarda kullanımları muhtemel olan çok işlevli bir malzemedir.

Savunma sanayiinde ise MXene’lerin dikkat çeken malzemelerden biri olma sebebi EMI kalkanlama uygulamalarında kullanımının ciddi bir potansiyel taşımasıdır. Literatürde de EMI kalkanlama uygulamaları için MXene kullanımı ile ilgili birçok çalışma gerçekleştirilmiştir. EMI kalkanlama alanında kullanım düşünülünce MXeneler, yüksek iletkenliği ve esnekliği ile hidrofilikliği yapısında barındırarak polimer matrisli kompozitlere katkılanmak için en uygun adaylardandır. Örneğin 45 mikronluk bir Ti3C2Tx MXene filmi, 92 dB kalkanlama etkinliği gösterebilmektedir (Şekil 6) ki bu değer geçmişten günümüze üretilmiş olan benzer kalınlıktaki sentetik malzemelerle karşılaştırıldığında en yüksek değerdir. Bu yüksek performansın sebebi Ti3C2Tx filmlerin cm başına 4600 Siemens civarındaki elektriksel iletkenliği ve serbest halde bulunan Ti3C2Tx filmlerinin yapmakta olduğu çoklu iç yansıtmalardır (İng. multiple internal reflections).

Şekil 5’de de görüldüğü üzere MXene pullarına (İng. flake) gelen EM dalgalarının bir kısmı yüzeyin yüksek oranda iletken olmasından ötürü birçok yük taşıyıcı (İng. charge carrier) tarafından hızla taşınıp yüzeyden yansımaktadır (Şekil 5 mavi oklar). Yüzeydeki fonksiyonel gruplardan kaynaklanan dipol oluşumu da soğurma mekanizmasını tetiklemektedir (Şekil 5 turuncu oklar). Son olarak, geçebilen dalgalar da bir sonraki MXene puluna çarparak çoklu iç yansıtmalarla bertaraf edilir (Şekil 5 siyah oklar). Her MXene puluna çarptıkça EM dalganın şiddeti azalmaktadır.

MXenelerin ince film yapılarında bile metallere, grafit, karbon fiber, karbon nanotüp ve grafene göre daha yüksek kalkanlama etkinliği gösterdikleri görülmektedir (Şekil 6).

Tüm bu sebeplerle MXene’ler hem akademide hem de sektörde özellikle savunma sanayii uygulamaları için ilgi çekici ve yenilikçi malzemeler olarak yükselişine devam edecektir…