MXenes - произносится как max-eens - впервые обнаруженный в 2011 году, представляет собой керамику, которая составляет одно из крупнейших семейств двумерных (2D) материалов. Они изготавливаются из объемного кристалла под названием MAX и в отличие от большинства 2D-керамикии и обладают хорошей проводимостью, а также объемной емкостью, поскольку представляют собой молекулярные листы, состоящие из карбидов и нитридов переходных металлов, таких как титан. MXenes уже нашли применение в самых разных областях - от накопителей энергии до медицины и оптоэлектроники.
У этого класса материалов возможны миллионы различных комбинаций переходных металлов (таких как молибден или титан), углерода и азота. Задачей поиска при переборе множества вариантов является лишь поиск наиболее стабильных вариантов.
И хотя существует множество возможных составов сплавов MXenes, большинство из них не являются стабильным. Задача, с которой столкнулись материаловеды, заключалась в том, как эффективно изучить огромное количество конфигураций сплавов, чтобы определить те, которые имеют наименьшую энергию образования и, следовательно, самую высокую стабильность. Обычные подходы к расчету «из первых принципов» требуют слишком больших вычислительных ресурсов, чтобы такое решение было быстро найдено.
В целом двумерные (2D) структуры, такие как графен и дисульфид молибдена, обладают уникальными свойствами. Но, наличие нового семейства таких материалов с широким диапазоном химического состава может лучше понять различия между свойствами 2D- и 3D-материалов, привести к идентификации полезных свойств 2D-карбидов, нитридов, оксикарбидов и других родственных структур и, наконец, появятся новые их применения.
MXenes создаются путем выборочного удаления алюминия из многослойных фаз MAX. Благодаря этому процессу расслоения карбидные слои разделяются на два листа толщиной всего в несколько атомов. Они могут размещать различные ионы и молекулы между своими слоями с помощью процесса, известного как интеркаляция, который необходим для создания уникальных свойств материалов.
Покрытия с низким коэффициентом трения из графена и других 2D-материалов часто стираются слишком быстро, чтобы их можно было использовать на практике. Напротив, MXenes могут быть достаточно прочными, чтобы действовать как твердые смазочные материалы в высокотемпературных промышленных процессах или в космических устройствах.
По словам исследователей, испытавших этот материал, тонкое покрытие из двумерного карбида титана оказалось наиболее износостойкой твердой смазкой из всех известных. Покрытие, представляющее собой карбиды или нитриды переходных металлов, содержащие слои толщиной всего в несколько атомов, обладают удивительными антифрикционными свойствами. На практике покрытие MXenes обеспечивает шестикратное снижение трения по сравнению с необработанными поверхностями, что ставит его в один ряд с графеном и дисульфидом молибдена, обладающих низким коэффициентом трения. Покрытие MXenes сохраняло свои характеристики на протяжении 100 000 циклов, обеспечивая как минимум вдвое больший срок службы по сравнению с другими материалами 2D.
