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

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

Исследователи надеются на открытие, опубликованное 24 марта в Наука, подстегнет новые инновации и проложит путь к использованию MXenes в повседневной электронике и устройствах.

Атомная экономика

Когда они были обнаружены в 2011 году, МХЕНЫ привели в большой восторг многих ученых. Обычно, когда вы обрабатываете металл, такой как золото или титан, для создания листов атомарной толщины, он перестает вести себя как металл. Но необычайно прочные химические связи в мхенах позволяют им сохранять особые свойства металла, такие как сильная электропроводность.

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

Все эти преимущества могут сделать MXenes чрезвычайно полезными для создания новых устройств - например, для хранения электроэнергии или блокирования помех от электромагнитных волн.

Однако единственный известный нам способ получения МХенов включал в себя несколько интенсивных этапов химической технологии, включая нагрев смеси при температуре 3000 °F с последующим погружением в плавиковую кислоту.

"Это нормально, если вы готовите несколько граммов для экспериментов в лаборатории, но если вы хотите получить большое количество для использования в коммерческих продуктах, это станет серьезной проблемой утилизации коррозионных отходов", - объяснил Дмитрий Талапин, заслуженный профессор химии имени Эрнеста Девитта Бертона в Чикагском университете., совместно назначенный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и автор-корреспондент статьи.

Чтобы разработать более эффективный и менее токсичный метод, команда использовала принципы химии, в частности "атомную экономию", которая направлена на минимизацию количества атомов, выбрасываемых впустую во время реакции.

Команда UChicago обнаружила новые химические реакции, которые позволяют ученым получать МХЕНЫ из простых и недорогих предшественников без использования плавиковой кислоты. Он состоит всего из одного этапа: смешивание нескольких химических веществ с любым металлом, из которого вы хотите сделать слои, затем нагрев 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 МХЕНОВ для различных применений, таких как различные металлические сплавы или различные ионные ароматизаторы. Команда протестировала метод с металлами титаном и цирконием, но они считают, что этот метод также может быть использован для многих других различных комбинаций.

"Эти новые MXenes также красивы визуально", - добавил Ван. "Они стоят как цветы, что, возможно, даже делает их более пригодными для реакций, потому что края открыты и доступны для перемещения ионов и молекул между металлическими слоями".

Аспирант Вудже Чо также был соавтором этой статьи. Исследование стало возможным благодаря помощи коллег из UChicago из разных отделов, включая химика-теоретика Сури Вайкунтанатана, директора центра рентгеновских исследований Александра Филатова и электрохимиков Чонг Лю и Минчжана Вана из Притцкеровской школы молекулярной инженерии. Электронная микроскопия была проведена Робертом Клием и Франсиско Лагунасом из Университета Иллинойса в Чикаго.

Часть исследований была проведена в исследовательском центре передовых материалов для систем энерго-водоснабжения Министерства энергетики США; Научно-инженерном центре материаловедения Чикагского университета; и в Центре наноразмерных материалов Аргоннской национальной лаборатории.