Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из России, ОАЭ и Китая разработали метод лазерной записи сверхъярких излучающих меток в двумерных материалах — максенах (MXene). Предложенная технология позволяет контролировать качество материала в реальном времени и создает основу для «умных» покрытий и сенсоров с функцией самодиагностики для промышленности, электроники и экологии. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Advanced Optical Materials. Подготовленный командой ученых графический материал размещен на обложке журнала.
Иллюстрация процесса лазерной записи рубина в MXene. Источник: Завидовский И.
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», — отмечает 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.
«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», — объясняет Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
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 (соглашения № FSMG-2024-0014 и FSMG-2021-0005).
Информация и фото предоставлены Центром научной коммуникации МФТИ
