Российские ученые разработали новый композитный материал с регулируемыми свойствами

О новой интересной разработке исследователей из Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирского федерального университета сообщила Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН. Это нанокомпозитный многофункциональный двумерный материал на основе природного минерала точилинита с регулируемыми свойствами. Благодаря открытой возможности управления свойствами нового материала, а также его слоистой структуре, 2D-композит можно применять в нанофотонике и оптоэлектронике, фото- и электрокатализе, использовать как наноантенны, сорбенты и электроды, например, в литиевых, магниевых, алюминиевых источниках тока, электрохимических конденсаторах.

Как описывают разработчики, новый материал состоит из чередующихся слоев сульфида железа и гидроксида магния, связанных за счет электрических зарядов, и образует чешуевидные наночастицы. Для получения наночешуек точилинита ученые из Красноярска взяли за основу протокол, разработанный для другого минерала, — валлериита. Они модифицировали метод, варьируя концентрации прекурсоров и примесей, чтобы избежать побочных продуктов реакции и контролировать состав материала. В результате ученые выработали легкий и простой способ, основанный на гидротермальном синтезе, позволяющий получать композит при умеренной температуре и атмосферном давлении. В процессе синтеза структура точилинита «самособирается» за счет противоположных электрических зарядов на слоях сульфида железа и гидроксида магния. Таким образом, ученые получили практически чистый двумерный синтетический точилинит.

Специалисты обнаружили, что электронные, оптические и магнитные свойства разработанного композита определяются сульфидными слоями, и ими можно управлять, контролируя состав гидроксидной части. Для этого исследователи добавили в материал литий и алюминий, которыми частично заменили магний в гидроксидном слое.

Рассказывает научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат химических наук Роман Борисов: «Мы занимаемся получением синтетических двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, аналогов природных минералов. До этого нам удалось синтезировать практически чистую фазу синтетического двумерного материала на основе природного минерала валлериита. Теперь мы смогли получить чистые сульфидно-гидроксидные аналоги природного слоистого минерала точилинита. Они дешевы, экологически безопасны и просты в производстве. В отличие от ранее синтезированных, данные материалы не содержат в сульфидных слоях медь. Это делает их менее стойкими к окислению, но более интересными в плане свойств. Мы также научились целенаправленно влиять на распределение железа в сульфидном и гидроксидном слоях. Такая возможность настройки открывает дополнительные перспективы использования точилинита в электронике и спинтронике»

Руководитель проекта, старший научный сотрудник ИХХТ ФИЦ СО РАН кандидат химических наук Максим Лихацкий: «Минералы природного происхождения валлериит и точилинит уникальны тем, что построены из чередующихся сульфидных и гидроксидных слоев, каждый толщиной всего в несколько атомных размеров. На состав слоев минералов сильно влияет та природная среда, в которой они формировались. Мы попробовали повторить этот процесс в лаборатории. При этом не просто скопировать условия природного синтеза, а заметно расширить состав материалов и получить соединения с новыми структурами сульфидных и гидроксидных слоев. Например, для управления свойствами материалов оказалось крайне важным контролировать содержание трехвалентного железа в гидроксидных слоях. Мы показали, что этот фактор существенно влияет на реакционную способность синтезированных материалов и термостабильность, оптические и электронные свойства, интересные для ряда приложений. В целом, мы первыми начали рассматривать точилиниты и валлерииты именно как синтетические платформы для получения новых двумерных материалов со смешаннослоистой структурой»

Добавим, что двумерные материалы (такие как графен) представляют большой интерес как для исследователей, так и для технического развития. Они имеют толщину всего в один атом и обладают уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании самых разных новых устройств и технологий с улучшенными характеристиками.

На фото: готовый синтезированный материал двумерных сульфидно-гидроксидных наночастиц в растворе

Источник информации и фото: Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН