Новый нанокомпозитный 2D материал с регулируемыми свойствами на основе природного минерала точилинита в виде наночешуек для возможного применения в нанофотонике, оптоэлектронике и других высокотехнологичных сферах производства, получили ученые из Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 24 июля сообщает пресс-служба центра.

Результаты исследования свойств наночешуек точилинита их создатели представили в статье «Простой синтез и выбранные характеристики двумерного материала, состоящего из слоев сульфида железа и гидроксида магния на основе точилинита», опубликованной в New Journal of Chemistry.

Большой интерес для исследователей и для развития современных технологий производства представляют двумерные материалы, такие как удостоенный Нобелевской премии графен. Имея толщину в один атом, они в результате обладают уникальными свойствами, позволяющими разрабатывать новые устройства и технологии с повышенными характеристиками.

Синтезированный красноярскими учеными их КНЦ СО РАН и Сибирского федерального университета (СФУ) новый многофункциональный композитный 2D материал на основе минерала точилинита состоит из чередующихся слоев сульфида железа и гидроксида магния, которые связаны между собой силой электрических зарядов, образуя чешуевидные частицы размером от 100 до 200 нм и толщиной около 20 нм.

Для получения таких чешуек точилинита ученые использовали протокол, разработанный для другого минерала — валлериита. Они модифицировали его и, варьируя концентрации прекурсоров и примесей, подбирали их оптимальный состав, который позволял избежать побочных продуктов реакции и контролировать состав материала.

Результатом исследований стала простая технология, основанная на гидротермальном синтезе. Она позволяет получать композит при умеренной температуре и атмосферном давлении. Синтез структуры точилинита происходит в результате «самосборки» за счет противоположных электрических зарядов слоев сульфида железа и гидроксида магния.

Исследователи выяснили, что электронные, оптические и магнитные свойства полученного ими практически чистого двумерного синтетического точилинита зависят от сульфидных слоев и что этими свойствами можно управлять, изменяя состав гидроксидной части. Для этих целей ученые добавили в материал литий и алюминий, частично заменяя ими магний в гидроксидном слое.

Возможность управления свойствами нового материала, а также его слоистая структура позволяют использовать наночешуйчатый 2D композит в нанофотонике и оптоэлектронике, фото- и электрокатализе, применять его в качестве наноантенн, сорбентов и электродов, в том числе в литиевых, магниевых и алюминиевых источниках тока или в электрохимических конденсаторах.

Научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН кандидат химических наук Роман Борисов рассказал о решаемых исследователями задачах:

«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».

Достоинством новых материалов, в отличие от ранее синтезированных, является отсутствие меди в сульфидных слоях, что делает их более интересными в плане свойств, хотя и менее стойкими к окислению, отметил ученый.

«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», — уточнил Роман Борисов.

При этом, отмечают разработчики, если обычно для создания 2D материалов приходится проводить компьютерное моделирование, чтобы понять, какими свойствами будет обладать материал с заданными для модели составом и структурой, то в этом случае вдохновителем создания композитного материала точилинита стала природа.

«В науке есть один интересный подход, основанный на том, чтобы „подглядеть“ у природы. Природа сама по себе является замечательной лабораторией. Минералы валлериит и точилинит природного происхождения уникальны тем, что построены из чередующихся сульфидных и гидроксидных слоев, каждый из которых толщиной всего в несколько атомных размеров», — рассказывает руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Максим Лихацкий.

В природе состав слоев минералов сильно зависит от среды, в которой они формировались. Исследователи пошли по стопам природы, повторяя этот процесс в лаборатории, но не просто «копируя» условия природного синтеза, но существенно расширяя состав материалов, что позволило получить соединения с новыми структурами сульфидных и гидроксидных слоев.

«Например, — продолжил Максим Лихацкий, — для управления свойствами материалов оказалось крайне важным контролировать содержание трёхвалентного 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».

Таким образом, красноярские ученые первыми начали рассматривать точилиниты и валлерииты в качестве синтетической платформы для получения новых двумерных материалов со смешанно-слоистой структурой, отметил руководитель проекта.