Исследователи достигли нового рубежа в проектировании наноматериалов, создав MXenes, содержащие до девяти различных металлов

Учёные создали двумерный материал с рекордным содержанием девяти металлов.

Исследователи достигли нового рубежа в проектировании наноматериалов, создав MXenes, содержащие до девяти различных металлов, согласно исследованию, опубликованному на этой неделе в журнале Science. Это исследование представляет собой самый сложный по составу двумерный материал из всех когда-либо синтезированных и открывает новые возможности для разработки материалов, предназначенных для экстремальных условий.

Международное сотрудничество под руководством Бабака Анасаори из Университета Пердью при участии команд из Университета Дрекселя, Университета Вандербильта, Пенсильванского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Института микроэлектроники и фотоники в Варшаве синтезировало почти 40 различных слоистых материалов с разным сочетанием металлов.

Прорыв в понимании порядка и хаоса.

MXenes — это ультратонкие слои карбидов и нитридов переходных металлов, впервые обнаруженные в 2011 году, толщина которых составляет около одного нанометра, что примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти материалы обладают уникальными свойствами, включая высокую электропроводность и способность диспергироваться в воде, что делает их пригодными для применения — от батарей нового поколения до экранирования от электромагнитных помех.

По данным обзора исследования в журнале Nature, команда ученых обнаружила критический порог в механизмах формирования этих сложных материалов. Когда MXenes содержат от четырех до шести металлов, они сохраняют упорядоченное расположение атомов благодаря энтальпийным предпочтениям — стремлению определенных металлов занимать конкретные слои. Однако при добавлении семи и более металлов энтропия берет верх, и металлы распределяются в структуре случайным образом.

«Всегда существует конкуренция между хаосом — или энтропией — и энтальпией», — объяснил Анасори в интервью Nature. Этот переход позволяет включать такие ранее трудновключаемые элементы, как вольфрам, который может служить катализатором для производства водородного топлива.

Применение в экстремальных условиях. 

Исследование имеет значение, выходящее за рамки основ материаловедения. Брайан Уайатт, научный сотрудник лаборатории Анасори и первый автор исследования, отметил: «Краткодействующий порядок в высокоэнтропийных материалах определяет, какое влияние оказывают энтропия и энтальпия на их структуры и свойства».

Эти высокоэнтропийные MXene могут привести к созданию новых приложений в экстремальных условиях, включая сверхвысокие температуры и радиационные среды. Потенциальные области применения включают экранирование электромагнитных волн, сверхтонкие антенны для коммуникационных технологий следующего поколения и материалы для аэрокосмической отрасли, где современные материалы оказываются недостаточными.

По словам исследователей, сложность этих материалов делает их моделирование невозможным с помощью современных компьютерных моделей, из-за чего их свойства приходится изучать в лабораторных условиях. Макс Хамеди, физик из Королевского технологического института KTH в Стокгольме, сказал Nature: «Возможно, мы получим какие-то свойства, которые окажутся очень неожиданными и которые мы не могли бы предсказать».

В исследовании также была продемонстрирована успешная трансформация этих сложных фаз MAX — исходных материалов, из которых получают MXene — в функциональные двумерные листы, что показало, как порядок и беспорядок влияют на их поверхностные свойства и электронное поведение. Это фундаментальное понимание может ускорить разработку инструментов на базе искусственного интеллекта для проектирования наноматериалов с заранее заданными свойствами.

Chemists cram record nine metals into trendy 2D material https://www.nature.com/articles/d41586-025-02839-6