Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с китайскими коллегами разработали одностадийный способ стабилизации новых двумерных материалов — максенов (MXenes). Предложенный подход позволяет улучшить свойства максенов — адгезию и химическую стабильность, что очень важно для использования этих материалов при производстве, например, электрообогревателей и датчиков дыхания.
Максены — семейство наноматериалов, открытое около десяти лет назад. Эти двумерные материалы состоят из переходных металлов, углерода и/или азота и поверхностных функциональных групп. Максены обладают очень высокой электрической проводимостью, большой площадью поверхности, и прекрасно подходят для использования, например, в суперконденсаторах и химических сенсорах.
Однако практическое применение максенов серьезно тормозят их плохая адгезия к гидрофобным подложкам и низкая химическая стабильность, приводящая к деградации электрических и механических свойств в условиях окружающей среды. Традиционные методы стабилизации максенов — предварительная обработка поверхности подложек плазмой, добавление ПАВ, постобработка с применением антиоксидантов и термического отжига — часто ухудшают электропроводность материалов, подходят не для всех подложек, а также требуют применения сложных, многоступенчатых технологий.
Авторы предложили новый подход к стабилизации максенов — одностадийный процесс лазерно-индуцированного переноса.
«Лазерная обработка сейчас производит настоящую революцию в модификации наноматериалов, предлагая решение проблем низкой адгезии и стабильности за один шаг. Существует ряд исследований, связанных с применением лазерной обработки для формирования структур для суперконденсаторов, или создания паттернов разной формы, однако обычно облучение не приводит к улучшению стабильности или, что еще хуже, приводит к окислению структур. В данной работе мы рассматриваем лазерную обработку как стратегию разработки интерфейса, направленную на улучшение адгезии максенов как к жестким (стекло), так и к гибким (термопластичный полиуретан) подложкам. Этот подход обеспечивает надежное «закрепление» максенов на подложке и продлевает срок службы устройств на их основе. Предложенный метод не требует предварительной или последующей обработки и применим даже к старым пленкам максенов, синтезированным более года назад», — рассказала один из авторов разработки, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Шеремет.
Для решения проблем ученые использовали так называемую «сэндвич»-конфигурацию, эффективно снижающую риск окисления в процессе обработки за счет создания замкнутой микросреды с дефицитом кислорода, без необходимости использования инертной атмосферы или вакуума, что существенно удешевляет и упрощает процесс. Максены в виде дисперсии наносили на подложку из термопластичного полиуретана и высушивали на воздухе. Далее эту систему помещали между двумя прозрачными стеклами. Лазерная обработка проходила через верхнее стекло, затем «сэндвич»-структура разделялась, в результате чего максены переносились на обе контактные поверхности, образуя прочные интерфейсы с ними.
«Такая конфигурация позволила добиться адгезии максенов к верхнему стеклу посредством обратного переноса и одновременно к подложке из термопластичного полиуретана посредством прямого переноса. Причем адгезия в результате лазерной обработки оказалась гораздо лучше, чем для стандартной обработки подложки плазмой», — пояснила участвовавшая в работе доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Анна Липовка.
Анализ интерфейсов показал, что предложенный подход позволяет сохранить исходную структуру максенов и одновременно эффективно минимизировать дальнейшее окисление материалов на обеих подложках благодаря защитному, богатому углеродом слою. В результате получаются прочные электропроводящие поверхности, сохраняющие свои характеристики при длительном воздействии высокой влажности и повышенных температур.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал нового метода, ученые создали на основе полученных интерфейсов образцы электротермического нагревателя и датчика дыхания. Образцы устройств продемонстрировали надежную работу.
“`
