"Химические ножницы" - это химическое вещество, предназначенное для реакции с определенным соединением с целью разрыва химической связи. Об оригинальном наборе химических ножниц, предназначенных для разрыва углерод-водородных связей в органических молекулах, сообщалось более десяти лет назад. В статье, недавно опубликованной в Наука международная команда сообщила о методе заточки ножниц таким образом, чтобы они могли разрезать чрезвычайно прочные и стабильные слоистые наноматериалы таким образом, чтобы разрывать атомные связи в пределах одной атомной плоскости, а затем заменять новые элементы - фундаментально изменяя состав материала одним химическим "надрезом".

"Это исследование открывает новую эру материаловедения, позволяя атомистически создавать двумерные и слоистые материалы", - сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор университета и заведующий кафедрой Баха в инженерном колледже Drexel, который был автором исследования. "Мы показываем способ собирать и разбирать эти материалы наподобие кубиков LEGO, что приведет к разработке новых захватывающих материалов, существование которых до сих пор даже не предполагалось".

Гогоци и его сотрудники из Drexel изучали свойства семейства слоистых наноматериалов, называемых MXenes, которые они обнаружили в 2011 году. MXenes начинаются с материала-предшественника, называемого фазой MAX; "MAX" - это химическое обозначение, обозначающее три слоя материала: M, A и X. Нанесение сильной кислоты на фазу MAX химически вытравливает слой A, создавая более пористый слоистый материал - с прозвищем "без А".: MXene.

Это открытие последовало за всемирным ажиотажем по поводу двумерного наноматериала под названием графен, который был признан самым прочным материалом из существующих, когда команда исследователей, открывших его, получила Нобелевскую премию в 2010 году. Открытие графена расширило поиск других атомарно тонких материалов с экстраординарными свойствами, таких как мхены.

Команда Drexel усердно изучала свойства материалов MXene, что привело, среди прочего, к открытиям о его исключительной электропроводности, долговечности и способности притягивать и фильтровать химические соединения. Но в некотором смысле потенциал MXenes с самого начала был ограничен способом их производства и ограниченным набором максимальных фаз и травителей, которые могут быть использованы для их создания.

"Раньше мы могли производить новые MXenes, только регулируя химический состав фазы MAX или кислоты, используемой для ее травления", - сказал Гогоци. "Хотя это позволило нам создать десятки MXenes и предсказать, что может быть создано еще много десятков, процесс не обеспечивал большого контроля или точности".

Напротив, процесс, о котором команда, возглавляемая Гогоци и Цин Хуан, доктором философии, профессором Китайской академии наук, сообщила в своем Наука в статье объясняется, что "структурное редактирование слоистых карбидов переходных металлов, опосредованное химическими ножницами,"по словам Гогоци, это больше похоже на хирургическое вмешательство.

Первым шагом является использование протокола травления расплавленной солью кислоты Льюиса (LAMS), который, как обычно, удаляет слой А, но также способен заменить его другим элементом, таким как хлор. Это важно, поскольку приводит материал в такое химическое состояние, что его слои можно разрезать с помощью второго набора химических ножниц, состоящих из металла, такого как цинк. Эти слои являются сырьем для MAX phases, что означает добавление небольшого количества химического "раствора" - процесс, называемый интеркалированием - позволяет команде создавать собственные MAX phases, которые затем могут быть использованы для создания новых MXenes, адаптированных для улучшения конкретных свойств.

"Этот процесс похож на хирургический разрез структуры MAX, отслаивание слоев и последующую реконструкцию с использованием новых и отличающихся друг от друга металлических слоев", - сказал Гогоци. "В дополнение к возможности получения новых и необычных химических соединений, что интересно с фундаментальной точки зрения, мы также можем создавать новые и различные фазы MAX и использовать их для получения MXenes, адаптированных для оптимизации различных свойств".

В дополнение к созданию новых фаз MAX, команда также сообщила об использовании метода для создания MXenes, которые могут содержать новые "атомы-гости", которые ранее не были бы химически способны вместить, что еще больше расширяет семейство материалов MXene.

"Мы ожидаем, что эта работа приведет к значительному расширению и без того очень большого пространства слоистых и двумерных материалов", - сказал Гогоци. "Становятся возможными новые МХЕНЫ, которые не могли быть получены из обычных прекурсоров MAX. Конечно, ожидается, что новые материалы с необычной структурой и свойствами позволят использовать новые технологии".

Следующим шагом для этого исследования, по словам Гогоци, является расслоение двух- и трехмерных слоистых карбидов, а также двумерных карбидов, интеркалированных металлом, на однослойные и малослойные нанолистки. Это позволит исследователям охарактеризовать их фундаментальные свойства, чтобы оптимизировать новые материалы для использования в накопителях энергии, электронике и других приложениях.