Ученые открыли простой способ создания металлических слоев атомарной толщины для новых технологий.

Секрет идеального круассана — это как можно больше слоев, каждый из которых пропитан маслом. Точно так же новый материал, перспективный для новых применений, состоит из множества чрезвычайно тонких слоев металла, между которыми ученые могут помещать различные ионы для различных целей. Это делает их потенциально очень полезными для будущей высокотехнологичной электроники или накопителей энергии.

До недавнего времени эти материалы, известные как MXenes, произносится как «max-eens», были такими же трудоемкими, как хорошие круассаны, приготовленные во французской пекарне.

Но новый прорыв ученых из Чикагского университета показывает, как сделать эти MXenes гораздо быстрее и проще, с меньшим количеством токсичных побочных продуктов.

Исследователи надеются, что открытие, опубликованное 23 марта в журнале Science, будет стимулировать новые инновации и проложит путь к использованию MXenes в повседневной электронике и устройствах.

Атомная экономика

Когда они были обнаружены в 2011 году, MXenes очень взволновали многих ученых. Обычно, когда вы строгаете такой металл, как золото или титан, чтобы создать листы атомарной толщины, он перестает вести себя как металл. Но необычайно прочные химические связи в MXenes позволяют им сохранять особые способности металла, например сильно проводить электричество.

Они также легко настраиваются: «Вы можете поместить ионы между слоями, чтобы использовать их для хранения энергии, например», — сказал аспирант-химик Ди Ван, соавтор статьи вместе с докторантом Ченкун Чжоу.

Все эти преимущества могут сделать MXene чрезвычайно полезными для создания новых устройств — например, для хранения электроэнергии или блокировки помех электромагнитных волн.

Однако единственный известный нам способ получения MXenes включал в себя несколько интенсивных химико-технологических этапов, включая нагревание смеси до 3000 ° F с последующим купанием в плавиковой кислоте.

«Это нормально, если вы делаете несколько граммов для экспериментов в лаборатории, но если вы хотите получить большие количества для использования в коммерческих продуктах, это станет серьезной проблемой утилизации агрессивных отходов», — пояснил Дмитрий Талапин, Эрнест ДеВитт. Бертон, почетный профессор химии в Чикагском университете, совместный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и соответствующий автор статьи.

Чтобы разработать более эффективный и менее токсичный метод, команда использовала принципы химии, в частности «экономию атомов», которая направлена ​​на минимизацию количества потерянных атомов во время реакции.

Команда UChicago открыла новые химические реакции, которые позволяют ученым получать MXenes из простых и недорогих прекурсоров без использования плавиковой кислоты. Он состоит всего из одного шага: смешивания нескольких химикатов с любым металлом, из которого вы хотите сделать слои, затем нагревания смеси до 1700°F. «Тогда вы открываете его, и вот они», — сказал Ван.

Более простой и менее токсичный метод открывает перед учеными новые возможности для создания и изучения новых разновидностей MXene для различных применений, таких как различные металлические сплавы или различные ионные ароматизаторы. Команда протестировала метод с металлами титана и циркония, но они считают, что этот метод можно использовать и для многих других комбинаций.

«Эти новые MXene также визуально красивы», — добавил Ван. «Они стоят, как цветы, что может даже улучшить их реакцию, потому что края открыты и доступны для движения ионов и молекул между металлическими слоями».

Аспирант Вудже Чо также был соавтором статьи. Исследование стало возможным благодаря помощи коллег из Университета Чикаго из разных отделов, в том числе химика-теоретика Сури Вайкунтанатана, директора рентгеновского исследовательского центра Александра Филатова и электрохимиков Чонг Лю и Мингжана Вана из Притцкеровской школы молекулярной инженерии. Электронная микроскопия была проведена Робертом Кли и Франсиско Лагунасом из Иллинойского университета в Чикаго.