Двумерные наноматериалы толщиной всего в несколько атомов исследуются для применения в различных критически важных областях: биомедицине, электронике, наноустройствах, хранении энергии и других сферах, особенно для повышения производительности в экстремальных условиях.
Однако поддержание порядка и стабильности, которые жизненно важны для более широкого и надёжного применения наноматериалов, является сложной задачей. На наноуровне материя может проявлять необычное физическое и химическое поведение. Это же своеобразное поведение, если его понять и обуздать, может принести много пользы благодаря возможности адаптировать структуру материала в чрезвычайно малых масштабах для достижения настраиваемых свойств и характеристик.
Профессор Бабак Анасори
Бабак Анасори — доцент кафедры материаловедения и машиностроения в Университете Пердью. Его исследовательская группа изучает семейство двумерных материалов, известных как MXenes (произносится как «макс-ины»), которые были открыты в 2011 году и с тех пор стали крупнейшим известным семейством двумерных наноматериалов.
MXenes — это двумерные карбиды и нитриды. Представьте себе такие материалы, как карбид титана или карбид вольфрама, но в виде ультратонких однонанометровых листов, что примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Каждый нанометровый лист состоит всего из нескольких слоёв атомов. Их слоистая конструкция предлагает сочетание свойств, таких как высокая электропроводность, гидрофильность (растворимость), возможность настройки состава и новые функциональные возможности, что делает их идеальными строительными блоками для различных технологических применений.
Недавнее исследование Анасори
В недавней статье Анасори «Переход от порядка к беспорядку из-за энтропии в слоистых и двумерных карбидах», опубликованной в журнале Science, были протестированы пределы для создания этих ультратонких материалов.
Анасори и его коллеги из Университета Вандербильта, Университета Пенсильвании, Университета Дрекселя, Аргоннской национальной лаборатории и Института микроэлектроники и фотоники в Варшаве, Польша, смогли поместить до девяти переходных металлов из периодической таблицы в один двумерный лист MXene, что является значительным достижением в синтезе «высокоэнтропийных» MXenes.
Выполнив эту сложную задачу, они смогли оценить истинную роль энтропии (меры беспорядка или случайности в системе) по сравнению с энтальпией (химическим предпочтением порядка) в этих высокоэнтропийных материалах, что имеет решающее значение для успешного проектирования и внедрения наноматериалов в различных случаях использования.
Влияние исследования
Влияние этого исследования выходит за рамки проектирования нескольких высокоэнтропийных двумерных фаз. В своём исследовании научная группа разработала, открыла и охарактеризовала почти 40 различных слоистых материалов с различным количеством металлических комбинаций: от двух до девяти металлов.
«Это новые слоистые карбиды, по сути, новые атомные сэндвичи. Увлекательным аспектом является то, как атомы расположены в этих сэндвичах», — сказал Анасори. «Представьте, что вы делаете чизбургеры с двумя–девятью ингредиентами (слоями). Представьте, что вы помещаете все ингредиенты, включая говяжий фарш, сыр, листья салата, помидоры, солёные огурцы и булочки, в волшебную коробку и встряхиваете её (обеспечивая источник энергии). Когда вы открываете коробку, чизбургер сам собирается в красивый сэндвич. Ещё более увлекательным является то, что каждый раз, когда вы это делаете, волшебная коробка всегда кладёт слои в установленном порядке. Например, котлета всегда находится под овощами».
«Это то, что происходит с нашими фазами, когда мы используем от двух до шести металлов; в результате структуры демонстрируют установленный порядок расположения атомов (энтальпийное предпочтение). Однако, если мы добавим один или несколько ингредиентов, например, сделаем двойной или тройной чизбургер, или добавим бекон или лук, то волшебная коробка сможет сделать сэндвич, но каждый раз слоистость будет разной», — объясняет Анасори. «Аналогично, когда мы используем семь или более металлов, металлы не следуют какому-либо предпочтению порядка, и достигается истинный беспорядок (высокая энтропия)».
Лаборатория Анасори впервые синтезировала почти 40 известных и новых нанослоистых структур фаз MAX, которые являются «родительским материалом», из которого получены MXenes, со структурными ковалентно-металлическими-ковалентными карбидными интерфейсами. Это был критический шаг: преобразовав все эти фазы MAX в двумерные MXenes, они показали влияние порядка и беспорядка на их поверхностные свойства и электронное поведение — ключ к их потенциальной пригодности для множества применений.
Брайан Вятт, постдокторант в лаборатории Анасори и первый автор этой статьи, считает работу важной для научного сообщества в целом. «Это исследование показывает, что короткодействующее упорядочение — расположение атомов на небольшом расстоянии в несколько атомных диаметров — в высокоэнтропийных материалах определяет влияние энтропии по сравнению с энтальпией на их структуры и свойства», — сказал Вятт.
«Для широкого научного сообщества эта работа представляет собой значительный прогресс в понимании роли энтальпии и энтропии в формировании и переходах порядок-беспорядок в этих высокоэнтропийных материалах. В рамках исследований слоистой керамики и двумерных материалов это расширяет семейства этих материалов и их потенциальное применение», — добавляет он.
Лаборатория Анасори стремится к открытию совершенно новых фаз MXene и родственных наноматериалов, которых раньше не существовало. Лаборатория исследует, как использовать термодинамику и кинетику реакций для разработки новых структур с индивидуальными свойствами. Основное внимание уделяется разработке материалов, способных работать в экстремальных условиях, таких как сверхвысокие температуры и радиация. Примеры включают проектирование структур, которые могут взаимодействовать с электромагнитными волнами и экранировать их, или служить высокоэффективными, ультратонкими антеннами для коммуникационных технологий следующего поколения.
«Мы хотим продолжать расширять границы того, что могут делать материалы, особенно в экстремальных условиях, где существующие материалы неэффективны», — говорит Анасори. «Конечная цель — создать материалы, которые смогут превзойти всё, что человечество знает в этих сложных условиях. Будь то обеспечение чистой энергии, увеличение дальности электромобилей в экстремальных условиях холода или жары в аэрокосмической отрасли, или создание материалов, которые будут функционировать в космосе или глубоководных условиях, я надеюсь, что наша работа может помочь в создании технологий следующего поколения».