Rus

Eng

На данный момент синтезированы и изучены более двадцати максенов (MXenes) - двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов, и еще ожидается, что десятки их будут синтезированы. Применение высоко электропроводящих максенов является очень перспективным для хранения энергии, экранирования и защиты от электромагнитных помех, электрокатализа, плазмоники и многих других приложений

Прошло чуть более пяти лет с тех пор как исследователи из Университета Дрекселя (США) сообщили об открытии нового двухмерного материала под названием максен (англ. MXene), состоящего из атомов титана и углерода. В настоящее время максен является основным направлением научных исследований в десятках университетов и научно-исследовательских институтов-партнеров из стран, охватывающих все континенты, кроме Антарктиды.

Подтверждением этого можно считать появление максенов на обложке последнего февральского номера одного из самых авторитетных научных журналов – Nature Review Materials (Volume 2 Issue 2, February 2017).

максен появился как раз в тот момент, когда в научном мире разгорелись дискуссии вокруг идеи, что материалы, толщиной в несколько атомов, могут стать ключом к построению нового поколения электроники малых размеров с более высокой скоростью работы; улучшению устройств накопления энергии; также считается, что эти материалы могут обеспечить впечатляющую долговечность разным изделиям от теннисных ракеток до военной техники и даже помочь в восстановлении поврежденных нейронов. Интерес к двумерным материалам и исследовательский ажиотаж вокруг них возник после открытия удивительных свойств двумерного графита, получившего название графен, а ученые из Университета Манчестера, которые первые о нем сообщили, даже получили Нобелевскую премию.

Первоначальный ажиотаж вокруг графена как очередного "чудо-материала" с "очень привлекательными свойствами", что поставил его в одну категорию с такими материалами как алюминий, сталь и пластмасса, в последние годы немного угас, так как графену до сих пор не нашли значительного реального практического применения, несмотря на огромные инвестиции в исследования, которые привели к более чем 60000 работ, опубликованных об этом с 2004 года.

максен является одним из современников графена, который в настоящее время изучается для тех же многих целей, что и графен, но демонстрирует уже более высокую производительность в некоторых из них.

По словам одного из авторов статьи в Nature Review Materials проф. Бабака Анасори из Института Наноматериалов Университета Дрекселя, США, максены являются достойным предметом исследования, потому что их очень много, и они уже показали уникальные свойства, опережая другие материалы в нескольких приложениях.

“MXene показывает огромный потенциал для использования в устройствах хранения энергии» - рассказывает доктор Юрий Гогоци, заслуженный профессор Университета Дрекселя и директор Института Наноматериалов, который возглавлял исследования по проекту, что привел к открытию этого уникального 2D материала.

Команда Юрия Гогоци опубликовала множество работ о способности материала захватывать и отдавать электроэнергию с исключительно высокой скоростью без ухудшений. B это только одна из областей, где MXene имеет явное превосходство над своим предшественником, потому что его проводящие свойства можно контролировать и даже, как оказалось, перестраивать. В то время как графен показывает непревзойденную электропроводность, очень сложно контролировать обильный поток тока через него - что просто необходимо для любого материала, который используется в электронных устройствах.

Исследования, проводимые группой из Университета Дрекселя под руководством профессора Гогоци также предполагают, что максен превзошел впечатляющую проводимость графена, в случае, когда оба эти материала масштабируются до формы тонкой бумаги, которая будет использоваться в электродах батарей. С другой стороны, максен в самой тонкой форме, которая является прозрачной, также демонстрирует проводимость, превосходящую графеновое покрытие. На данный момент исследователи изучают возможность использования пленок максена для технологии сенсорного экрана и прозрачных устройств хранения энергии.

Исследователи из лаборатории профессора Гогоци испытывали максен также для использования в качестве своего рода химического "фильтра". Их эксперименты были сосредоточены на способности максена улавливать одни молекулы и ионы в его атомную структуру, в то же время беспрепятственно пропуская другие. Это свойство может быть полезным для улавливания токсинов из организма, а также из нашей питьевой воды.

Наслаивание других элементов или соединений между листами максена также дает обнадеживающие результаты, когда речь идет о повышении долговечности (прочности) материала. Вставка полимера создает вариант материала, который может быть использован для гибких электродов в области хранения энергии и носимых технологий.

Совсем недавно группа опубликовала статью, в которой речь идет о способности максена блокировать электромагнитное излучение. Открытие того, что максен MXene может отражать электромагнитные помехи от наших вездесущих мобильных устройств, звучит многообещающе, поскольку тонкий слой максена (в 10 раз тоньше, чем лист бумаги) является чрезвычайно эффективным в качестве распыленного покрытия, что можно применить к отдельным компонентам внутри устройства.

Одним из наиболее интригующих аспектов в стремлении к пониманию того, как этот материал может быть использован, является тот факт, что максен может быть скомбинирован из довольно различных атомов. Исследователи из Дрекселя также  определили, что в виде стабильных материалов еще могут быть получены более 100 максенов с разными составляющими компонентами. В этом и заключается исследовательская задача, которую ставят ученые в статье из Nature Materials Review. На сегодняшний день исследователи синтезировали и изучили около двух десятков различных максенов, начав работу с составами на основе титана и углерода, постепенно продвигаясь к получению разных соединений ранних переходных металлов группы титана с углеродом и азотом, получая в  результате разные максены с уникальными свойствами.

Исследователи предполагают, что появление и изучение новых максенов приближает их к пониманию динамики ионов между слоями максена, что имеет ключевое значение для их применения в разработках новых видов батарей. Очень больших усилий требует создание максенов с однотипными окончаниями, чтоб таким образом они могли быть адаптированы для конкретных применений в электронике - грубо говоря, необходимо убедиться, что каждая форма и размер блока лего имеет одинаковые круглые соединители, чтобы они были совместимы с остальными деталями из набора.

Как и в случае с графеном, по большому счету, именно стоимость производства материала определяет, имеет ли в действительности смысл двигаться вперед в его исследованиях. Профессор Мишель Барсум, который занимался максенами вместе с профессором Юрием Гогоци, и чьи исследования направлены на синтез их химического прекурсора - максфаз (MAX-phases), недавно опубликовал статью, в которой описал недорогой метод их получения, что может значительно снизить стоимость максенов по сравнению со стоимостью графена. По словам профессора Юрия Гогоци, каждая из этих проблем является важным препятствием, которые максену необходимо преодолеть на пути к тому, чтобы стать коммерчески жизнеспособным. И его команда уже добилась многообещающих успехов в расширении производственного процесса изготовления максена при одновременном улучшении контроля его качества.

В то время как большинство наноматериалов доступны только в «нано» количествах, лаборатория Юрия Гогоци уже может получать до 100 г максена за один синтез, используя реактор,  который разработала и изготовила в Украине компания Центр Материаловедения (Materials Research Centre). Это говорит о том, что одно из самых больших препятствий ученые уже преодолели, и при увеличении научно-исследовательских усилий, максен вскоре может стать именем в технологиии.

"Тот факт, что максены могут производиться в 100-граммовых количествах в лабораторных условиях является прорывом, который четко показывает, что их практическое применение реально," говорит профессор Гогоци.

С 2011 года команда Юрия Гогоци получила чуть более одного миллиона долларов на свои исследования максенов от спонсоров, которые включают Департамент энергетики США, Национальную лабораторию Ок-Ридж (США) и Научно-технологический университет имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии. Для того, чтобы обеспечить коммерческую рентабельность, когда придет время, Дрексель проделал большую работу по защите интеллектуальной собственности, связанной с максенами, которая охватывает составы материала, приложения и методы получения.

По словам доктора Элизабет Попперт, менеджера по вопросам лицензирования в офисе по коммерциализации технологий в Университете Дрекселя, который занимается вопросами интеллектуальной собственности максена, его портфель в настоящее время включает в себя три полученных патента, которые охватывают широкий спектр претензий и 10 дополнительных ожидающих заявок на международные и американские патенты.

По материалам: https://newsblog.drexel.edu

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ О максенАХ:

Защитное покрытие из наноматериала максена MXene для отражения и поглощения электромагнитных помех

Группа исследователей из Университета Дрекселя и Корейского института науки и технологий работает над очисткой от таких электромагнитных помех с помощью нанесения на компоненты тонкой защитной пленки наноматериала под названием максен.