Вы моргнули два раза, а смартфон уже зарядился. Нано-рулоны MXene разгоняют аккумуляторы до пугающих скоростей

Ученые из Университета Дрекселя предложили новый способ менять форму MXenes, класса наноматериалов с высокой электропроводностью, превращая их из плоских структур в тонкие трубки. Такая трансформация открывает возможности для более эффективных аккумуляторов, биосенсоров и носимой электроники. Команда разработала масштабируемую технологию, которая позволяет как бы сворачивать двумерные листы MXene в одномерные трубчатые структуры, получившие название MXene nanoscrolls.

Полученные нанотрубки примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса и проводят электричество лучше, чем плоские листы того же материала. MXenes уже больше десяти лет привлекают внимание исследователей благодаря сочетанию высокой проводимости и химической гибкости. Однако создание качественных одномерных структур из этих материалов долгое время оставалось сложной задачей: прежние методы часто давали нестабильные формы или поврежденную структуру.

В основе нового подхода лежит идея, что геометрия материала напрямую влияет на его свойства. Плоские структуры хорошо работают во многих системах, но в задачах, где важна быстрая передача зарядов или механическое усиление, одномерные формы оказываются эффективнее. Трубчатая архитектура создает полые каналы, по которым ионы могут свободно перемещаться, не сталкиваясь с плотными слоями, характерными для обычных двумерных MXene. Одновременно такие трубки способны усиливать полимеры и металлы, сохраняя при этом электропроводность.

Теперь подробнее. Процесс начинается с многослойных чешуек MXene. Исследователи изменяют химическую среду с помощью воды, влияя на поверхностную химию материала. В результате возникает структурный дисбаланс, известный как реакция Януса. Внутреннее напряжение заставляет слои расходиться и самопроизвольно сворачиваться в плотные рулоны. Этот механизм позволяет формировать аккуратные трубчатые структуры без разрушения материала.

Метод проверили на шести типах MXene, включая карбиды титана, ниобия, ванадия, тантала и карбонитрид титана. Во всех случаях удалось получить стабильные наноскроллы с предсказуемой формой и составом. Команда сообщает о синтезе партий до 10 г материала с контролируемыми характеристиками, что резко отличается от предыдущих попыток, где часто получались неоднородные и поврежденные структуры.

Трубчатая геометрия дает еще одно важное преимущество: увеличенную активную поверхность. В обычных слоистых структурах активные участки часто «прячутся» между листами, что затрудняет доступ ионов и молекул. В полых наноскроллах поверхность открыта, поэтому химические вещества и биомолекулы легко контактируют с материалом. Это особенно важно для аккумуляторов и химических сенсоров, где скорость переноса и доступность активных центров напрямую влияют на эффективность работы.

Также ученые показали, что в жидкой среде положением наноскроллов можно управлять с помощью электрического поля. Это позволяет выстраивать их в заданном направлении и встраивать в волокна и ткани, например при создании проводящих нитей и функциональных текстильных материалов. В таком виде миллионы микроскопических трубок можно ориентировать параллельно друг другу или собирать в объемные структуры, похожие на плотные щетки.

Ещё один важный результат получили при работе с пленками из наноскроллов карбида ниобия. В гибких образцах зафиксировали признаки сверхпроводимости. Теперь команда собирается подробно изучить природу этого эффекта, чтобы понять, как именно трубчатая форма влияет на электрические свойства материала.

Разработка показывает, что изменение формы наноматериала может быть не менее важным, чем его химический состав. Переход от плоских листов к трубчатым структурам дает новые свойства, которые сложно получить другими способами, и открывает дополнительные направления для применения MXene в энергетике, биомедицине и гибкой электронике.