Новые двумерные материалы открывают путь к устройствам следующего поколения
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США продемонстрировали новые методы управления структурой MXene — семейства двумерных материалов, которые рассматриваются как одна из перспективных платформ для электроники, энергетики и других высокотехнологичных отраслей. Результаты двух недавних исследований показывают, что свойства таких материалов можно настраивать практически на уровне отдельных атомов.
MXene представляют собой ультратонкие материалы толщиной всего в несколько атомных слоёв. В их состав обычно входят переходные металлы, включая титан, ванадий и молибден, соединённые с углеродом и или азотом. Благодаря своей структуре они обладают набором свойств, которые делают их привлекательными для широкого спектра технологий — от защитных покрытий до катализаторов.
Основой для получения MXene служат так называемые MAX-фазы — слоистые материалы со сложной кристаллической структурой. При химической обработке один из типов слоёв удаляется, после чего оставшиеся атомные пластины можно разделить на отдельные двумерные листы. Как пояснил сотрудник Аргоннской лаборатории Брайан Уайатт, этот процесс можно сравнить с попыткой извлечь одну страницу из книги, все листы которой склеены между собой. Для этого необходимо растворить своеобразный «клей» между слоями и аккуратно отделить нужную структуру.
В рамках исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Science, учёные синтезировали 40 новых разновидностей MAX-фаз. Каждая из них содержала не менее двух различных металлов, а некоторые структуры включали сразу девять металлических элементов. По словам авторов работы, это позволило почти вдвое расширить известное химическое пространство, пригодное для создания новых MXene.
Особое внимание исследователи уделили тому, как распределяются атомы внутри многокомпонентных структур. Выяснилось, что упорядоченное расположение атомов сохраняется даже при наличии шести различных металлов в одном материале. Однако при добавлении седьмого и последующих элементов система теряет регулярность, а распределение атомов становится хаотичным.
Учёные связывают этот эффект с действием энтропии — фундаментальной физической величины, отражающей стремление систем к более случайному состоянию. По словам Уайатта, природа допускает определённые формы порядка, однако при чрезмерном усложнении состава атомам становится всё труднее сохранять организованную структуру.
Для изучения внутреннего строения материалов команда использовала метод вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS). Эта технология позволяет буквально анализировать материал слой за слоем и определять расположение различных атомов внутри структуры. Благодаря таким измерениям исследователи смогли проследить, каким образом распределяются металлические элементы в созданных соединениях.
Авторы работы называют MXene своеобразными «конструкторскими материалами», поскольку их свойства можно подбирать под конкретные задачи путём изменения состава и расположения атомов. По мере расширения семейства таких материалов появляется возможность проектировать структуры с заранее заданными характеристиками для различных областей применения.
Одним из наиболее перспективных направлений считается экранирование электромагнитных помех. MXene способны эффективно блокировать нежелательные электромагнитные сигналы даже в покрытиях толщиной всего несколько нанометров. Такие материалы могут оказаться востребованными в компактной электронике и телекоммуникационном оборудовании.
Не меньший интерес вызывает применение MXene в катализе. Благодаря двумерной структуре практически все атомы на поверхности остаются доступными для химических реакций. Это открывает возможность более эффективно использовать дорогостоящие металлы, включая платину, поскольку активные элементы не оказываются скрытыми внутри объёмного материала.
Как отмечают исследователи, возможность гибко изменять состав MXene является одним из ключевых преимуществ для каталитических систем. В традиционных материалах лишь небольшая часть поверхности участвует в реакции, тогда как в двумерных структурах активные атомы могут быть полностью открыты для взаимодействия с окружающей средой.
Следующим этапом развития технологии станет переход от лабораторных образцов к промышленному производству. Учёным предстоит определить, какие комбинации элементов обладают наибольшим практическим потенциалом и могут быть экономически оправданы для массового применения. В этой работе исследователи рассчитывают использовать методы искусственного интеллекта и машинного обучения, которые помогут быстрее находить наиболее перспективные составы среди огромного количества возможных вариантов.
Исследование в журнале Science.