Двумерные материалы (например, 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 новых устройств и технологий с улучшенными характеристиками.
Ученые из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета синтезировали новый многофункциональный композитный двумерный материал на основе природного минерала точилинита. Он состоит из чередующихся слоев сульфида железа и гидроксида магния, связанных за счет электрических зарядов, и образует чешуевидные наночастицы.
Для получения наночешуек точилинита специалисты 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. Благодаря открытой возможности управления свойствами нового материала, а также его слоистой структуре, наночашуйчатый 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.
«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», — поясняет научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат химических наук Роман Владимирович Борисов.
Исследователи отмечают, что для создания 2D-материалов чаще всего приходится проводить компьютерное моделирование для того, чтобы понять, какими свойствами будет обладать материал с заложенными в модель составом и структурой. Однако в этом случае на создание композитного материала точилинита ученых вдохновила природа.
«В науке есть один интересный подход, основанный на том, чтобы “подглядеть” у природы, которая сама по себе является замечательной лабораторией. 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», — рассказывает руководитель проекта, старший научный сотрудник ИХХТ ФИЦ СО РАН кандидат химических наук Максим Николаевич Лихацкий.
