Ученые открыли новый метод разделения слоистых материалов для получения тонких атомных нанорешеток. Это привело к созданию целого диапазона двумерных наноматериалов с химическими и электронными свойствами, благодаря которым возможны новые электронные технологии и технологии хранения энергии.

Результаты совместного международного исследования во главе с Центром исследования адаптивных наноструктур и наноустройств, колледжем Тринити в Дублине (Ирландия) и Оксфордским университетом были опубликованы в издании Science.

Ученые разработали универсальный метод создания тонких атомных нанорешеток из диапазона материалов, используя обычные растворители и ультразвуковые устройства, подобные тем, что используются для чистки ювелирных изделий. Новый метод прост, быстр, недорог и может использоваться в промышленных масштабах.

«Одно из наиболее важных применений подобных нанорешеток — в термоэлектрических материалах. Устройства, сделанные из таких материалов, способны генерировать электричество из невостребованного тепла. Так, например, до 50% выделяемой на газовых электростанциях энергии теряется в виде невостребованного тепла. Те же потери на угольных и нефтебазах достигают уровня 70%. При этом разработка эффективных термоэлектрических устройств позволила бы часть этой ненужной теплоты перерабатывать», пояснил профессор Джонатан Колеман из школы физики в Дублинском колледже Тринити, который возглавил исследование совместно с доктором Валерией Николоси из отделения материалов Оксфордского университета.

Данную работу можно сравнить с исследованием двумерного графена, которое удостоилось Нобелевской премии по физике в 2010 году. Графен интересует ученых потому, что обладает исключительными электронными и механическими свойствами, кардинально отличными от свойств его родительского материала — графита. При этом графит — лишь один из многих слоистых материалов, которые могут помочь в разработке новых технологий.

Работа Колемана откроет более 150 подобных необычных слоистых материалов, таких как нитрид бора, дисульфид молибдена и теллурид висмута. У всех таких материалов есть потенциал быть металлическими, полупроводниковыми или изолирующими, в зависимости от химического состава и атомного строения.

В течение десятилетий ученые предпринимали попытки создать нанорешетки из слоистых материалов, чтобы выявить их необычные электронные и термоэлектрические свойства. Однако предыдущие методы были слишком трудозатратными и малоэффективными, а значит и применение их было нецелесообразным.

«Наш новый метод обусловлен низкой стоимостью, а также высокими эффективностью и производительностью: за несколько часов из 1 мг слоистого материала можно изготовить миллионы нанорешеток толщиной в атом», пояснил доктор Николоси из Оксфордского университета.

Новые материалы также подходят для использования в суперконденсаторах — источниках питания нового поколения, которыми наверняка будут оснащать электромобили. Такие устройства могут поставлять энергию в тысячи раз быстрее, чем современные аккумуляторы.

Многие из слоистых материалов чрезвычайно прочны и могут добавляться к пластикам для производства сверхпрочных соединений, которые впоследствии можно применять в разных отраслях промышленности, от простых конструкционных пластиков до аэронавтики.