Утес двумерного мира

Так называемые двумерные материалы, т. е. структуры с относительно очень малой толщиной, привлекли внимание ученого сообщества совсем недавно. Самый известный на сегодня двумерный материал – это графен, состоящий из одноатомного слоя углерода. В 2010 г. за исследование электронных свойств графена А. Гейм и К. Новоселов, бывшие советские ученые, стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Благодаря своим необычным свойствам графен находит широкое применение в различных областях – от создания новых композитных материалов до электроники и новых типов электрических батарей. Но это лишь один из представителей большой группы двумерных структур, в которую также входят глины (глиноземы), гексагональный нитрид бора, дисульфид молибдена и другие хорошо известные и широко использующиеся материалы. Более того, семейство таких материалов продолжает расти по мере открытия новых соединений с двумерной структурой.

Например, двумерной структурой может обладать карбид титана (Ti₃C₂). В сканирующем электронном микроскопе стопки двумерных слоев карбида титана очень напоминает пустынный горный утес.

Эта форма карбида титана входит в новое большое семейство двумерных карбидов и карбонитридов переходных металлов, которые были недавно открыты учеными из Университета Дрекселя (США). Представители этого семейства были названы MX-енами, так как они получаются расщеплением на слои так называемых MAX-фаз.

Последние, в свою очередь, образуют еще более обширное семейство тройных карбидов, карбонитридов и нитридов переходных металлов с химической формулой M_n+1AXn, где М – переходный металл первых переходных групп (Ti, Cr, Nb и т. п.); A– элемент подгруппы А IV–VI групп (Al, Si, Sn, S, Pb и т. д.); X– углерод или азот; n принимет значения от 1 до 3. В настоящий момент известно около тысячи различных MAX-фаз.

Для получения MX-ена МAX-фазу обрабатывают соединением плавиковой кислоты, благодаря чему из него удаляется элемент группы A. В результате получаются слабосвязанные слои MX-фазы, которые далее отделяют друг от друга в водной среде при помощи ультразвука.

Поверхность слоев MX-енов гидрофильная, но при этом они обладают хорошей электропроводимостью, благодаря чему могут использоваться как аноды для литиевых аккумуляторов и электроды для электрохимических конденсаторов.

На сегодняшний день успешно получены семь различных MX-енов. Простота описанной технологии позволяет надеяться, что такие структуры могут быть получены не только в лабораторных, но и в промышленных количествах.

М. Нагиб, Б. Анасори, М. В. Барсум, Ю. Гогоци (Университет Дрекселя, Филадельфия, США)

Литература

Naguib M., Mashtalir O., Carle J., Presser V., Lu J. et al. Two-Dimensional Transition Metal Carbides, ACS Nano 6(2) 1322–1331 (2012), http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn204153h