Максен: Исследователям из Университета Дрекселя удалось экстрагировать один метал из тройного карбида с получением двумерных структур и открыть целое семейство новых двумерных структур
Неотложной проблемой в настоящее время перед исследователями, так и общественностью является способность идентифицировать следующее поколение устойчивых, экономически эффективных и энергосберегающих материалов для нашего повседневного использования. В поисках новых материалов для хранения электрической энергии, команда ученых-материаловедов из Университета Дрекселя, США (Drexel University), обнаружила новое семейство двумерных соединений , предположительно обладающие уникальными свойствами, которые могут привести к новаторским достижениям в области технологий хранения энергии.
Данное научное открытие совершила группа исследователей под руководством Юрия Гогоци, профессор материаловедения и технологии Университета Дрекселя в Филадельфии, директора Института нанотехнологий им. А. Дж. Дрекселя, и Мишеля Барсума, М. Barsoum, заслуженного профессора материаловедения и инженерии. В своей работе исследователи детально описывают способ трансформации трехмерного титан-карбида алюминия, типичного представителя семейства слоистых тройных карбидов, под названием MAX -фазы, в двумерную структуру с разными довольно интересными свойствами. MAX фазы, известные как пластичная керамика, были исследованы в лаборатории профессора Барсума на протяжении более десяти лет, и в результате исследований были синтезированы десятки слоистых карбидов, нитридов и карбонитридов с различными свойствами. Однако эта керамика всегда производилась как 3-мерные материалы.
Исследователи из Университета Дрекселя поместили порошкообразный титан-алюминиевый карбид (Ti3AlC2) во фтористоводородную кислоту при комнатной температуре для выборочного отделения алюминия. В результате этого химического процесса, называемого отшелушиванием, в основном выделяется слоистый карбидный материал и образовываются двумерные Ti3C2 нанолисты, которым придумали название максен MXene, созвучно графену. Наиболее примечательным является то, что данный слоистый материала показывает многие свойства графена. Например, он может сворачиваться в нанотрубки, как свиток, диаметром менее 40 нм (1000 раз тоньше человеческого волоса), имеющие потенциал для широкого спектра применений, начиная от устройств хранения энергии до биомедицинских приложений и материалов .
 |
|
Рис.1. Схематическое изображение слоистого Ti3AlC2
Модель –М.Куртоглу, M. Kurtoglu |
Рис.2.Сканирующая электронная микроскопия слоистой части размером около 10 мкм . MXene нанолисты могут быть разделены при помощи ультразвука. SEM – Б. Анасори, цвет – П. Гогоци,B. Anasori, P.Gogotsi |
Ученые представили свою работу с использованием массива экспериментальных методик и первых принципиальных расчетов. Высокое разрешение просвечивающей электронной микроскопии, осуществленное в сотрудничестве с исследователями из Швеции, показало наличие одно-, двух и многослойных листов с поперечным размером в несколько микрометров и толщиной в нанометровом диапазоне. Расчеты предсказывают большие упругие модули и электронные структуры, которые могут быть настроены путем изменения химического состава поверхности этих листов.
По словам профессора Юрия Гогоци, важность данного исследования выходит далеко за рамки просто образования Ti3C2 нанолистов ; поскольку Ti3AlC2 является членом семьи MAX фаз, в которой на сегодняшний день насчитывается более 60 материалов, было бы не совсем верным говорить об одной композиции отдельно, поскольку очень большая семья, что действительно открывает огромные возможности в синтезе и применении 2-D материалов. Юрий Георгиевич отметил, что эта работа дает концептуальный скачок вперед, который должен привести к прорыву в развитии двумерных материалов.
Рис.3.Материал напоминает эксфолиированный графит. Поэтому на электронной микрофотографии высокого разрешения он выглядит как слойка.
По мнению профессора Гогоци, открытие любого нового материал интересно, но потенциал материал может быть никогда не реализован. Например, фуллерены так и не нашли значительных применений, хотя они и очень интересны с точки зрения химии и физики. Конечно, пока невозможно сказать , на сколько полезны будут эти новые материалы. Однако открытие нового материал всегда прорыв, открытие же целого семейства материалов (известно более ста MAX phase карбидов и нитридов, 60 из них синтезированы и 5 уже эксфолиированы в двумерные структуры) ,несомненно, интересно и открывает большое поле деятельности для исследователей.
Эта работа была проведена при поддержке Assistant Secretary for Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Vehicle Technologies of the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231 – Batteries for Advanced Transportation Technologies (BATT) Program (http://batt.lbl.gov).
Справка: Naguib, M.; Kurtoglu, M.; Presser, V.; Lu, J.; Niu, J.; Heon, M.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M. W., Two Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2, Advanced Materials, 2011, http://dx.doi.org/10.1002/adma.201102306
