MXene — это двумерные материалы, которые получают из слоистых трехмерных карбидных или нитридных соединений, известных как MAX-фазы. Их общая формула — Mₙ₊₁AXₙ, где М — переходный металл (например, молибден или титан), А — элемент III группы (чаще всего алюминий), а Х — углерод или азот. Ключевой этап их синтеза состоит в селективном химическом травлении: образец обрабатывается кислотой (например, плавиковой HF), которая избирательно растворяет и удаляет атомы алюминия из кристаллической решетки, не разрушая при этом M–X слои. Этот процесс приводит к разделению материала на двумерные слои.
«MXene обладают высокой электропроводностью, хорошими механическими характеристиками и настраиваемыми поверхностными свойствами. Это делает их крайне перспективными для гибкой опто- и наноэлектроники, а также сенсорики. Однако при синтезе не всегда возможно полностью удалить алюминий, остаточные кластеры которого искажают электронные и оптические свойства материала», — отметил Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В своей работе ученые из МФТИ превратили проблему остаточного алюминия в функциональный инструмент. Они сфокусировали лазерный луч на частицы MXene, под действием которого остаточный алюминий окисляется и становится оксидом (Al₂O₃). Оказалось, что эти частицы сами начинают излучать — люминесцировать. Это происходит за счет атомов хрома, которые присутствуют в незначительном количестве в окружающей среде и в материале. Они встраиваются в оксид под воздействием лазера. Лазерная «запись» использует примесные элементы материала для создания локализованных ярких источников света. Таким образом, физики превратили главную технологическую примесь материала — остаточный алюминий — в наноразмерные центры рубина (Al₂O₃:Cr³⁺), излучающие свет в узком диапазоне. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Advanced Optical Materials. Подготовленный командой ученых графический материал размещен на обложке журнала.
«Мы доказали, что рубиновая люминесценция возникает практически во всех облученных лазером MXene, даже если они изначально не содержат хром. Минимальные примеси этого элемента попадают в материал естественным образом и обеспечивают свечение. Это делает метод универсальным инструментом для контроля чистоты MXene», — отметил Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Разработанная технология позволяет быстро и почти без разрушения проверять, насколько полно удален алюминий из материала. Кроме того, рубиновые центры реагируют на механическое напряжение, температуру и химическое окружение, что фактически делает их встроенными сенсорами. Это значит, что обработанный лазером MXene можно использовать для контроля качества материала от коррозии в морских условиях, мониторинга деформации в гибких устройствах и окружающей среды.
«Мы показали, что то, что раньше считалось проблемой для MXene — остатки алюминия, может стать их достоинством. Лазерное излучение превращает примеси во встроенные рубиновые наносенсоры, которые «сообщают» о состоянии материала, например его деформации, температуре и химическом окружении», — объяснил Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
В работе приняли участие ученые из МФТИ, XPANCEO (ОАЭ), ПНИПУ, МГУ имени Ломоносова, ДВФУ, Шэньчжэньского университета MSU-BIT, Алферовского университета. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования России.