8 октября 2025 года в Иерусалиме (TPS-IL) — Ученые из Германии и Израиля нашли новый способ изучения одних из самых маленьких и перспективных материалов на Земле — достижение, которое может помочь создать лучшие аккумуляторы, гибкую электронику и устройства для чистой энергии.
Эти материалы, известные как MXenes, состоят из слоев всего в несколько атомов толщиной. Они могут проводить электричество, хранить энергию и даже взаимодействовать с светом таким образом, что будущие технологии могут стать быстрее, меньше и эффективнее. Но до сих пор исследователи могли изучать MXenes только в больших стопках перекрывающихся слоев. Это затрудняло понимание того, что может делать каждый отдельный слой сам по себе.
MXenes вызывают волнение уже много лет из-за их потенциала в технологиях следующего поколения — от сверхбыстрых зарядных батарей и солнечных батарей до гибких экранов и мембран для очистки воды. Но для того чтобы воплотить эти идеи в жизнь, ученым сначала нужно понять, как именно эти материалы ведут себя на самых маленьких масштабах.
Исследовательская группа под руководством доктора Андреаса Фурхнера из Helmholtz-Zentrum Berlin и доктора Ральфа Кеназа* из Еврейского университета Иерусалима решила эту проблему. Они использовали новый оптический метод, называемый спектроскопической микро-элипсометрией (SME), чтобы изучать отдельные хлопья MXene по одному. Результаты были опубликованы в рецензируемом журнале ACS Nano.
Техника работает путем освещения микроскопических образцов тщательно контролируемым светом и измерения отражения света. Из этого отражения ученые могут сказать, насколько хорошо материал проводит электричество и как его структура влияет на производительность. В отличие от старых методов, SME не повреждает образец и может завершить полный анализ менее чем за минуту.
“Что действительно выдающееся в этой работе, это то, что за менее чем одну минуту мы можем напрямую измерить оптические, структурные и электрические свойства отдельных хлопьев MXene — все это без разрушения,” — сказал Кеназ, со-изобретатель метода. “Обычно для этих измерений требуются три разных инструмента и намного больше времени.”
Фурхнер сказал, что новый подход дает ученым ясное представление о том, как ведет себя каждый хлопок. “Измерение того, как отдельные хлопья MXene взаимодействуют со светом, позволило нам выявить малейшие вариации в толщине и проводимости,” — сказал он. “Мы были в восторге от того, насколько близко результаты соответствовали намного более медленным и разрушительным методам.”
Группа обнаружила, что при уменьшении толщины слоев MXene их электрическое сопротивление увеличивается — важная деталь для проектирования надежных и эффективных электронных компонентов. Новый метод также смог соответствовать точности мощных инструментов для изображения, таких как электронные микроскопы, подтверждая его точность.
“Эта работа предоставляет карту пути для интеграции MXenes в реальные технологии, предлагая прямой взгляд на их внутренние свойства без вмешательства перекрывающихся слоев или примесей,” — сказал профессор Ронен Рапапорт из Еврейского университета. “Улучшая способы изучения этих материалов, мы прокладываем путь для их использования в энергетических и оптоэлектронных устройствах.”
По мнению доктора Тристана Пети из Helmholtz-Zentrum Berlin, новый метод может иметь еще более широкое влияние. “Это открывает новые области исследований, которые ранее были возможны только с помощью крупных, дорогих рентгеновских установок,” — сказал он. “Теперь мы можем проводить аналогичную работу в обычной лаборатории, намного быстрее.”
MXenes могут хранить и высвобождать электрическую энергию крайне эффективно, что делает их многообещающими для аккумуляторов следующего поколения на литий-ионной и твердотельной основе. Поскольку они тонкие и гибкие, MXenes могут питать носимые устройства, умную одежду или складные электронные устройства. Это также делает MXenes идеальными для использования в суперконденсаторах — устройствах, которые обеспечивают быстрые всплески мощности и заряжаются намного быстрее, чем обычные батареи.
Их способность взаимодействовать со светом и проводить электричество также делает MXenes полезными для солнечных батарей и фотоэлектрохимических систем, которые преобразуют солнечный свет в чистую энергию. В частности, MXenes могут улучшить производство водорода, действуя как катализаторы в реакциях расщепления воды.
Поскольку MXenes могут фильтровать тяжелые металлы и соли из воды, ученые исследуют их для мембран для опреснения и технологий по очистке окружающей среды. Исследователи также изучают MXenes для потенциального использования в биосенсорах, системах доставки лекарств и медицинской диагностике.
Как сказал доктор Пети: “Это мощное демонстрация того, как сотрудничество и передовая физика могут ускорить науку о материалах. MXenes — это только начало.”
