Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, работая вместе с учеными из России, ОАЭ и Китая, создали способ лазерной записи чрезвычайно ярких излучающих меток непосредственно в двумерных материалах, известных как максены ( MXene). Разработанная технология обеспечивает мониторинг качества материала в процессе производства и служит платформой для создания «умных» покрытий и сенсоров с возможностью самодиагностики, предназначенных для использования в промышленности, электронике и экологической сфере. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Advanced Optical Materials. Графический материал, разработанный группой исследователей размещен на обложке журнала.
MXene — mAX-фазы – это трехмерные слоистые карбиды или нитриды, из которых создают двумерные материалы. Их структура описывается общей формулой Mₙ₊₁AXₙ, где М – переходной металл (например, титан или молибден), А – элемент III группы (обычно алюминий), а X – углерод или азот. Важным этапом в процессе их получения является селективное химическое травление: образец подвергается воздействию кислоты (например, плавиковой HF), которая выборочно растворяет и удаляет атомы алюминия из кристаллической структуры, не повреждая слои M–X. В результате этого процесса материал расщепляется 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, ведущий научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института.
В ходе исследования сотрудники Московского физико-технического института нашли способ использовать остаточный алюминий, который обычно считается дефектом, для решения полезных задач. Для этого они направили лазерный луч на частицы MXene, под воздействием данного фактора остаточный алюминий преобразуется в оксид алюминия (Al₂O₃). При этом обнаружено, что эти частицы начинают испускать свет, то есть люминесцировать. Это явление обусловлено наличием атомов хрома, которые в малых концентрациях присутствуют как в окружающей среде, так и в самом материале. Эти атомы внедряются в оксид посредством лазерного воздействия. Процесс лазерной «записи» использует примеси, содержащиеся в материале, для формирования локализованных, высокоинтенсивных источников света. В результате, физикам удалось преобразовать основную технологическую примесь материала – остаточный алюминий – в наноразмерные центры рубина (Al₂O₃:Cr³⁺), генерирующие свет в узком спектральном диапазоне.
«Нам удалось установить, что рубиновое свечение проявляется почти во всех материалах, подвергшихся лазерному воздействию MXene, даже если эти материалы изначально не содержат хром, незначительные количества этого элемента могут присутствовать в них естественным образом и вызывать свечение. Благодаря этому метод становится универсальным способом проверки чистоты MXene», — отметил Сергей Новиков, руководитель лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института.
Предложенная технология обеспечивает оперативную и бережную проверку степени удаления алюминия из материала. Помимо этого, рубиновые центры чувствительны к механическим напряжениям, температуре и химическому окружению, что позволяет рассматривать их как встроенные датчики. Таким образом, материал, 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 могут представлять собой ценную особенность. С помощью лазерного излучения примеси преобразуются во встроенные рубиновые наносенсоры, фиксирующие характеристики материала, такие как деформация, температура и химическая среда» , — объясняет Алексей Большаков, руководитель Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института.
Центр фотоники и двумерных материалов, расположенный в Московском физико-техническом институте — это – центр, специализирующийся на передовых исследованиях, где научные разработки трансформируются в технологии и решения, востребованные бизнесом и обществом. Центр был создан в 2016 году и включает в себя 10 лабораторий, занимающихся перспективными исследованиями, которые могут быть применены в промышленности и высокотехнологичных секторах, таких как энергетика, нефтегазохимия, телекоммуникации, IT, медицина и другие отрасли.
В исследовании были задействованы ученые, представляющие МФТИ, XPANCEO (ОАЭ), ПНИПУ, МГУ имени Ломоносова, ДВФУ, Шэньчжэньский университет MSU-BIT и Алферовский университет. Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашений № FSMG-2024-0014 и FSMG-2021-0005).
Научная статья: И. А. Завидовский, А. В. Сюй, Д. И. Якубовский и др. «Рубиновые излучатели, созданные лазером, в MXenes: Преобразование остаточных примесей в интегрированные узкополосные люминесцентные датчики». Adv. Optical Mater. 14, № 1 (2026): e01407. https://doi.org/10.1002/adom.20250140
Материалы и фотографии предоставлены Центром научной коммуникации Московского физико-технического института