Двумерные материалы MXene: новая эра для науки и технологий
Двумерные материалы MXene, ставшие объектом интенсивных исследований во всем мире, открывают перед наукой и индустрией широкие перспективы. Эти уникальные структуры формируются из трехмерных, слоистых карбидных либо нитридных композиций, которые ученые называют MAX-фазами. Общая формула этих соединений – Mₙ₊₁AXₙ, где М – переходный металл (как титан или молибден), А – элемент третьей группы (преимущественно алюминий), а Х – углерод или азот. Главный этап производства MXene заключается в селективном травлении: специальная кислота «вымывает» алюминий, оставляя нетронутыми остальные слои и разделяя весь материал на потрясающе тонкие двумерные пластины.
Свойства MXene и вызовы синтеза
MXene особенно выделяются тем, что сочетают высокую электропроводность, прочность и гибко настраиваемую поверхность. Это делает их востребованными для преодоления вызовов в гибкой электронике будущего, оптической и сенсорной технике. Но удаление алюминия из таких материалов – по-настоящему тонкая задача: даже микрокластеры не извлеченного алюминия могут изменить электронные и оптические параметры материала не в лучшую сторону. Как отмечает Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, именно неполное удаление алюминия ранее считалось заметной проблемой, сдерживающей реализацию всех преимуществ MXene.
Преобразование недостатка в достоинство: инновация от МФТИ
Команда исследователей МФТИ, в тесном сотрудничестве с российскими и международными коллегами, взглянула на сложившуюся проблему нестандартно и креативно. Они предложили удивительное решение: сфокусированный лазерный луч воздействует на частицы MXene, вызывая окисление остаточного алюминия с образованием оксида алюминия (Al₂O₃). В присутствии небольших количеств природного хрома, внедряющегося в структуру оксида, возникает яркая люминесценция. Таким образом, на месте бывших кристаллитов алюминия формируются наноразмерные центры рубина (Al₂O₃:Cr³⁺), излучающие свет в узком спектре – именно этот эффект стал ключом ко всей методике.
Контроль качества в реальном времени и новые функции MXene
Новое направление лазерной модификации предложенное российскими физиками, обладает впечатляющей универсальностью. Эксперименты показали, что рубиновое свечение проявляется почти во всех MXene, подвергшихся лазерному воздействию, даже если исходно в них не обнаруживается хром – его следовые количества обычно попадают в материал естественным путем. Это масштабно расширяет область применения такого подхода: простой и почти неразрушающий контроль качества в любой точке образца становится не только возможным, но и крайне эффективным. Как подчёркивает заведующий лабораторией Сергей Новиков, новая технология позволяет оперативно проверять чистоту, уровень остаточного алюминия и однородность любого MXene без сложных лабораторных процедур.
Применение MXene с лазерными нано-сенсорами
Важным преимуществом разработанного метода является дополнительная «настройка» материала. Рубиновые центры, встроенные в структуру MXene благодаря лазерной обработке, ведут себя как миниатюрные сенсоры. Они чувствительны к различным воздействиям: механическому напряжению, температурным колебаниям и даже изменению химического окружения. Это открывает путь к созданию гибких сенсорных систем – например, для мониторинга деформаций в робототехнике, контроля коррозии на морских объектах или точного отслеживания экологических угроз. Теперь остаточный алюминий – не «балласт», а источник новых инновационных функций. Как подчеркивает директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков, лазерное воздействие превращает технологические ограничения в реальные конкурентные преимущества.
Международная кооперация и вклад отечественных ученых
В этой значимой научной работе участвовали исследователи МФТИ, XPANCEO (ОАЭ), ПНИПУ, Московского государственного университета, ДВФУ, Шэньчжэньского университета MSU-BIT, Алферовского университета. Реализация проекта стала возможной при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Их общие усилия позволили создать эффективный инструмент не только для контроля, но и для дополнительного функционального обогащения двумерных материалов, что без сомнения ускорит развитие новых сенсорных, оптических и электронных технологий.
Таким образом, технология, появившаяся при активном участии Ильи Завидовского, Сергея Новикова и Алексея Большакова из МФТИ, открывает MXene не просто новые технические горизонты, но и воплощает философию научного оптимизма: каждый вызов можно обратить в драйвер прогресса, а каждый недостаток – в источник перспективных решений.
Источник: naked-science.ru
