Ученые разработали метод синтеза новых двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, основанных на структуре минерала валлериита. Меняя состав полученных композитов, можно настраивать их физические и химические свойства для конкретных приложений. Это делает валлериит новой платформой для создания многофункциональных материалов с регулируемыми свойствами. Об исследновании сообщает Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук (ФИЦ КНЦ СО РАН).
Бум исследований двумерных материалов атомарной толщины начался с графена, за открытие которого Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Считается, что уникальные свойства таких структур позволят создать принципиально новые устройства электроники и спинтроники, источники тока, катализаторы, и многое другое. Число известных типов двухмерных материалов пока невелико. Между тем в природе существуют минералы семейства валлериита, образованные чередующимися атомными слоями гидроксида магния и сульфидов железа и меди, а также других металлов. Однако ранние попытки синтезировать валлериит не приводили к должному результату: продукты содержали слишком много побочных примесей.
Коллектив ученых ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработал простой метод автоклавного синтеза при повышенной температуре и давлении чистых и модифицированных слоистых материалов. Гидротермальным синтезом исследователям удалось получить новый материал, состоящий из чередующихся сульфидных и гидроксидных слоев, аналогичный природному минералу валлерииту. Он представляет собой «нанохлопья» размером 100–200 нанометров и толщиной порядка десятка атомных слоев — 10–20 нанометров. Его можно использовать как «кирпичики» для получения нанопленок и коллоидных дисперсий. После изучения нового материала исследователи обнаружили, что его характеристики можно изменять, вводя в состав различные добавки, например атомы алюминия или хрома. Это также дает возможность синтезировать на основе нового материала и разработанного метода аналоги других минералов со слоистой структурой.
«Мы подобрали условия для гидротермального синтеза двумерного наноматериала, позволяющие получить практически чистые, без примесей, наноразмерные частицы валлериита. Этот способ синтеза оказался достаточно простым и хорошо воспроизводимым. Растворы реагентов смешиваются и загружаются в автоклав, который нагревается до 160 °С при постоянном перемешивании. Примечательно, что установка для синтеза, была сконструирована в нашем институте более 30 лет назад, но по своим параметрам до сих пор не уступает аналогичному оборудованию ведущих мировых производителей. На выходе мы получили чистую фазу синтетического двумерного материала на основе структуры природного минерала валлериита. На данный момент проведено более двухсот синтезов. Помимо этого, удалось ввести в материал добавочные элементы без нарушения его структуры. Это позволяет тонко настраивать строение сульфидно-гидроксидных слоев и приводит к появлению уникальных физических свойств», — рассказывает научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Роман Борисов.
Ученые Института химии и химической технологии СО РАН занимаются получением синтетических двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, аналогов природных минералов, с 2020 года. Сейчас они изучают механизмы формирования слоистой структуры, которая, по всей видимости, обусловлена электростатической самоорганизацией противоположно заряженных сульфидных и гидроксидных квазиатомных слоев. Также в их задачи входит исследование термической стабильности слоистых материалов, температурных зависимостей электро- и теплопроводности, магнитных свойств, диэлектрической проницаемости, свойств водных растворов композитов без использования стабилизирующих агентов и пленок на различных подложках и с использованием таких агентов.
«Данная работа является междисциплинарной, она проведена на стыке химии и физики совместно с коллегами из Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН. Полученные результаты показывают, что валлериит может быть платформой для разработки новых многофункциональных материалов с регулируемыми свойствами. Изменяя состав — в частности, распределение железа между гидроксидными и сульфидными слоями и их заряды, — можно управлять электронными, магнитными, оптическими, химическими свойствами наноразмерных композитов. Найденные необычные характеристики "валлериитов" делают их новым перспективным семейством 2D материалов, которые могут найти применение в нанофотонике, фото- и электрокатализе, в производстве электродных материалов», — комментирует руководитель работ по созданию и исследованию свойств новых двумерных материалов, главный научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Юрий Михлин.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Красноярского краевого фонда науки (проект № 20-43-242903). Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.