Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США приближают разработку материалов к атомному масштабу, демонстрируя, как MXenes можно модифицировать практически на атомарном уровне для создания передовых технологий.
В двух недавних публикациях исследователи продемонстрировали новые способы контроля типов атомов в MXenes, их расположения и того, какие химические группы присоединяются к их тонким, как атомы, поверхностям.
MXены (произносится как «макс-инс») — это семейство двумерных материалов, часто толщиной всего в несколько атомов. В основном они состоят из переходных металлов, таких как титан, ванадий или молибден, связанных с углеродом и/или азотом.
Расширение семейства материалов MXene.
MXены изначально представляют собой слоистые твердые тела, называемые MAX-фазами. Когда исследователи химически удаляют один тип слоя из MAX-фазы, оставшиеся слои можно разделить на тонкие плоские слои MXена.
«Мне нравится представлять фазы MAX как учебник, все страницы которого склеены, а MXenes — как одну страницу, которую вы хотите извлечь», — объяснил Брайан Уайатт, стипендиат программы Марии Гепперт-Майер в Аргоннской национальной лаборатории.
«Нужно растворить клей и аккуратно вытащить страницу. Клей и страницы представляют собой разные химические среды, поэтому атомы предпочитают находиться вблизи определенных слоев», — добавил он.
В работе, опубликованной в журнале Science, ученые из Аргоннской национальной лаборатории создали 40 различных MAX-фаз, каждая из которых содержит как минимум два металла, а в некоторых случаях — до девяти металлов в одной структуре.
Это достижение почти вдвое увеличило известное химическое пространство, которое можно использовать для создания MXenes.
Когда нарушается атомный порядок
Исследователи обнаружили, что упорядоченность атомов может сохраняться, когда материал содержит до шести различных металлов. Но при добавлении семи или более металлов эта структура нарушается, и атомы становятся по-настоящему неупорядоченными.
«Именно здесь побеждает энтропия, естественная склонность к случайности», — сказал Уайатт. «Природа любит определенный порядок, но как только мы добавляем достаточное количество различных ингредиентов, атомам становится слишком сложно оставаться организованными», — добавил он.
Используя масс-спектрометрию вторичных ионов (SIMS), команда послойно измерила структуру материала, чтобы определить местоположение различных атомов.
Конструкционные материалы для технологий будущего
«Мы любим говорить, что это как дизайнерские материалы, — сказал Уайатт. — Если мне нужно что-то конкретное, я использую эти композиции; если мне нужно что-то другое, я использую другие. В группе так много людей, что мы можем разрабатывать дизайн, исходя из наших потребностей».
Одним из перспективных применений является экранирование от электромагнитных помех, где MXenes могут блокировать нежелательные сигналы даже в покрытиях толщиной в нанометры.
Исследователи также изучают их в контексте катализа, где их открытые двумерные поверхности могут снизить потребность в дорогостоящих материалах, таких как платина.
«Возможность регулирования свойств MXenes имеет ключевое значение для катализа», — сказал Мухоза.
«Иногда в качестве активных центров требуются определенные металлы, но активным является лишь небольшой участок основного материала. С помощью MXenes можно разместить эти металлы на двумерной структуре, так что все они окажутся открытыми», — добавил он.
Следующая задача — масштабирование этих материалов для производства и промышленного применения. Искусственный интеллект и машинное обучение могут помочь исследователям определить, какие комбинации элементов наиболее целесообразно тестировать.