Под руководством постдокторанта Бабака Анасори, доктора философии, команда из Департамента материаловедения и инженерии Дрекселя создала метод изготовления материалов, который может размещать двухмерные листы элементов, которые в противном случае не могли бы быть стабильно объединены. И они доказали его эффективность, создав два совершенно новых слоистых двумерных материала с использованием молибдена, титана и углерода.
«Сложив один или два атомных слоя переходного металла, такого как титан, между одноатомными слоями другого металла, такого как молибден, с атомами углерода, удерживающими их вместе, мы обнаружили, что можно получить стабильный материал», — сказал Анасори. «Было невозможно создать двухмерный материал, содержащий всего три или четыре слоя молибдена в таких структурах, но поскольку мы добавили дополнительный слой титана в качестве соединителя, мы смогли их синтезировать."
Открытие, которое было недавно опубликовано в журнале ACS Nano, важно, поскольку оно представляет новый способ объединения элементарных материалов для формирования строительных блоков технологии хранения энергии, таких как батареи, конденсаторы и суперконденсаторы, а также сверхпрочные композиты. -как те, что используются в чехлах для телефонов и бронежилетах.
Каждая новая комбинация слоев толщиной в атом представляет новые свойства, и исследователи подозревают, что один или несколько из этих новых материалов будут демонстрировать свойства хранения энергии и долговечности, настолько непропорциональные его размеру, что это может произвести революцию в технологиях в будущем.
«Хотя на данный момент трудно сказать, что именно станет с этими новыми семействами двухмерных материалов, которые мы обнаружили, можно с уверенностью сказать, что это открытие позволяет области материаловедения и нанотехнологий выйти на неизведанный уровень. территории ", — сказал Анасори.
Освоение материалов
Организованное объединение двухмерных листов элементов для производства новых материалов было целью исследователей наноматериалов Drexel более десяти лет.
Навязать такую организацию на атомарном уровне — непростая задача.
«Из-за своей структуры и электрического заряда некоторые элементы просто не« любят »сочетаться», — сказал Анасори. "Это похоже на попытку сложить магниты так, чтобы полюса были обращены в одном направлении — вы не добьетесь большого успеха, и вы собираетесь собрать много летающих магнитов."
Но исследователи Drexel придумали хитрый способ обойти эту химическую проблему. Он начинается с материала, называемого MAX-фазой, который был обнаружен выдающимся профессором Мишелем В. Барсум, доктор философии, руководитель исследовательской группы MAX / MXene, более двух десятилетий назад. Фаза MAX похожа на изначальную слизь, которая породила первые организмы — все элементы готового продукта находятся в фазе MAX, ожидая, пока исследователи наведут некоторый порядок.
Этот приказ был наложен Мишелем В. Барсум, доктор философии, и Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор кафедры попечительского совета инженерного колледжа и глава Drexel Nanomaterials Group, когда они впервые создали стабильный двухмерный многослойный материал под названием MXene в 2011 году.
Чтобы создать MXenes, исследователи выборочно извлекают слои атомов алюминия из блока MAX-фазы, вытравливая их кислотой.
«Думайте о синтезе MXene как о разделении слоев древесины путем погружения фанерного листа в химикат, растворяющий клей», — сказал Анасори. «Поместив фазу MAX в кислоту, мы смогли избирательно протравить определенные слои и превратить фазу MAX во множество тонких двумерных листов, которые мы называем MXenes."
Что касается материалов для хранения энергии, то MXenes стали откровением. До их открытия графен, представляющий собой единый слой атомов углерода, был первым двумерным материалом, который рекламировался за его потенциальные возможности хранения энергии.
Но, поскольку он состоял только из одного элемента, углерода, графен было трудно изменить по форме и, следовательно, имел ограниченные возможности хранения энергии. Новые MXenes имеют поверхности, способные накапливать больше энергии.
Элементальный тупик
Четыре года спустя исследователи проработали раздел Периодической таблицы с элементами, называемыми «переходными металлами», производя MAX-фазы и травляя их в MXenes различного состава, при этом тестируя их свойства хранения энергии.
Открытие Анасори произошло в тот момент, когда группа столкнулась с препятствием на пути продвижения по таблице элементов.
«Мы зашли в тупик, пытаясь произвести молибден, содержащий MXenes», — сказал Анасори. «Добавив титан в смесь, нам удалось получить упорядоченную МАКС-фазу молибдена, в которой атомы титана находятся в центре, а молибден — снаружи.
Следующий рубеж
Теперь, с помощью теоретических расчетов, выполненных исследователями из Исследовательского центра FIRST Energy Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж, команда Дрекселя знает, что, в принципе, она может использовать этот метод для создания до 25 новых материалов с комбинациями переходов. металлы, такие как молибден и титан, которые ранее не использовались.
«Возможность наслоить различные элементы из материала самой тонкой формы, известной научному сообществу, приводит к созданию новых захватывающих структур и позволяет беспрецедентно контролировать свойства материалов», — сказал Барсум. «Этот новый метод наслоения дает исследователям невообразимое количество возможностей для настройки свойств материалов для различных высокотехнологичных приложений."
Анасори планирует производить больше материалов, заменяя титан другими металлами, такими как ванадий, ниобий и тантал, что может открыть жилу новых физических свойств, поддерживающих накопление энергии и другие приложения.
«Этот уровень структурной сложности или наслоения в двумерных материалах может привести к появлению множества новых структур с уникальным контролем над их свойствами», — сказал Гогоци. «Мы видим возможные применения в термоэлектрике, батареях, катализаторах, солнечных элементах, электронных устройствах, конструкционных композитах и многих других областях, открывая новый уровень инженерии в атомном масштабе."