Учёные из Университета Дрекселя предложили неожиданно простой, но технологически изящный способ «перепрофилировать» MXenes — класс высокопроводящих наноматериалов — превратив их из плоских двумерных листов в одномерные трубчатые структуры. Новая форма, получившая название MXene-наносвитки, может заметно повысить эффективность аккумуляторов, биосенсоров и носимой электроники.
MXenes — это семейство слоистых карбидов и нитридов переходных металлов, которые уже больше десяти лет находятся в фокусе внимания материаловедов. Их ценят за отличную электропроводность и богатую химию поверхности. Но до сих пор попытки создать из MXene качественные одномерные структуры упирались в технологические ограничения: материалы получались нестабильными, неоднородными или повреждёнными.
Команде из Дрекселя удалось преодолеть этот барьер — и, как оказалось, ключевым фактором стала не только химия, но и геометрия.
Почему форма так важна?
В большинстве приложений двумерные MXene-листы работают отлично. Но там, где важна быстрая транспортировка ионов, высокая механическая прочность или гибкость, одномерная морфология оказывается предпочтительнее.
Профессор Юрий Гогоци, один из ведущих авторов работы, предлагает наглядную аналогию: сравните стальные листы с металлическими трубами или арматурой. И то и другое — металл, но задачи решают совершенно разные. С MXene происходит нечто похожее.
Плоские нанолисты в стопке лежат плотно друг к другу, образуя узкие «коридоры», по которым ионам и молекулам сложно пробираться. Скрученные же в трубки структуры образуют полые каналы, открытые и доступные для движения зарядов и частиц.
Как лист превращается в трубку
Процесс начинается с многослойных MXene-хлопьев. Исследователи аккуратно меняют химическую среду, используя воду для модификации поверхности материала. В результате возникает так называемая реакция Януса — структурный дисбаланс между разными сторонами слоя.
Этот внутренний «перекос» создаёт механическое напряжение: слои начинают отслаиваться и самопроизвольно сворачиваться в плотные наносвитки — ультратонкие трубки, примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. При этом они проводят электричество даже эффективнее, чем исходные плоские MXene-листы.
Метод оказался не только элегантным, но и универсальным. Его протестировали на шести различных MXene, включая карбиды титана, ниобия, ванадия, тантала и карбонитрид титана. Во всех случаях удалось получить стабильные наносвитки с контролируемой формой и составом. Более того, исследователи смогли синтезировать до 10 граммов материала — серьёзный шаг в сторону масштабируемого производства.
Зачем это нужно
Трубчатая геометрия MXene-наносвитков даёт сразу несколько практических преимуществ. Во-первых, она значительно увеличивает доступную активную поверхность. В обычных стопках MXene многие реакционно-способные участки «спрятаны» между слоями, тогда как открытая полая структура скроллов делает их легко доступными для ионов и молекул.
Это особенно важно для аккумуляторов и химических сенсоров, где скорость и эффективность взаимодействия с активной поверхностью напрямую влияют на производительность. Во-вторых, такие нанотрубки могут служить армирующим элементом для полимеров и металлов, повышая их прочность без потери электропроводности.
Есть и ещё одна любопытная находка. Учёные обнаружили, что электрическое поле позволяет управлять ориентацией наносвитков в растворе. Теоретически это открывает путь к их выстраиванию в волокнах, тканях или проводящих дорожках. Представьте себе миллионы микроскопических трубок, которые по команде «встают» вертикально или складываются в провод — звучит почти как научная фантастика, но физика уже позволяет это сделать.
Неожиданный бонус: сверхпроводимость
Отдельного внимания заслуживает наблюдение сверхпроводимости в гибких плёнках, изготовленных из наносвитков на основе карбида ниобия. Пока исследователи лишь зафиксировали эффект и планируют детально изучить его физическую природу. Но даже сам факт того, что гибкий наноматериал демонстрирует сверхпроводящие свойства, выглядит многообещающе.
История с MXene-наносвитками наглядно показывает: иногда прорыв происходит не за счёт нового состава, а благодаря переосмыслению формы. Скручивание двумерных листов в одномерные трубки меняет правила игры — от электрохимии до механики и электроники. И вполне возможно, что именно такие «свернутые» решения станут основой следующего поколения умных материалов.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
