Ученые впервые синтезировали гематен — двумерный кристалл на основе наиболее распространенной модификации оксида железа, гематита. В отличие от объемного гематита, гематен обладает ферромагнитным порядком, а также может использоваться для повышения эффективности фотокатализа, пишут ученые в Nature Nanotechnology.
Всего лишь около 15 лет назад был получен первый двумерный материал — графен. Оказалось, что за счет необычной структуры физические свойства двумерных кристаллов могут довольно сильно отличаться от свойств трехмерных соединений того же состава: например, из-за ограничения подвижности носителей зарядов по двум направлениям могут довольно сильно и необычным образом меняться и электронные, и оптические свойства этих материалов. Поэтому с тех пор количество новых типов двумерных кристаллов постоянно растет: аналогичные графену по структуре соединения получали как из простых веществ (например, германия, кремния, фосфора и олова и некоторых металлов), так и из бинарных соединений, например, из нитрида бора или многих халькогенидов переходных металлов. Совсем недавно группа химиков под руководством Пуликела Аджаяна (Pulickel M. Ajayan) из Университета Райса впервые получила двумерный кристалл галлия — галленен.
В своей новой работе эта же группа ученых с присоединившимися к ним коллегами из Бразилии и Германии впервые синтезировала двумерный оксид железа и исследовала его свойства. Двумерный кристалл ученые получили с помощью эксфолиации гематита, самой распространенной модификации оксида железа(III), Fe2O3. Эксфолиация — один из наиболее популярных на сегодняшний день методов получения двумерных кристаллов, простейшая модификация которого — с использованием клейкой ленты — применялась и для первого получения графена. В данном случае эксфолиация проводилась в жидкой фазе из суспензии гематита в диметилформамиде. С помощью ультразвуковой обработки от двух кристаллических поверхностей гематита «отшелушивались» двумерные кристаллы различных типов.
Каждый из образовавшихся типов гематена соответствовал одному из кристаллографических направлений в гематите. Образование двумерной структуры ученые подтвердили с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показав, что жидкостная эксфолиация действительно позволяет получить пленки толщиной 0,398 или 0,320 ангстрема в зависимости от типа структуры. Эти пленки предпочтительно собираются в однослойные или двухслойные образования и состоят только из атомов железа и кислорода, не включая в себя никаких примесей. При этом, в отличие от графена и других двумерных кристаллов, гематен не стремится к образованию многослойных структур, связанных силами Ван-дер-Ваальса.
Спектроскопические свойства вместе с численным моделированием методом теории функционала плотности подтвердили элементный состав образовавшихся кристаллов, степень окисления железа и их электронную структуру. Интересно, что гематен, в отличие от гематита, обладает выраженными ферромагнитными свойствами. Если для гематита характерен выраженный антиферромагнитный обмен, то в гематене за счет антисимметричного взаимодействия появляется ферромагнетизм.
Оказалось, что гематен можно также использовать для повышения фотокаталитической активности нанотрубок оксида титана TiO2. Ширина запрещенной зоны у гематена немного меньше, чем у оксида титана, кроме того он может легко закрепляться на нанотрубках, что позволяет заметно повысить фоточувствительность материала. Эффективность такого подхода ученые проверили на реакции разложения воды на водород и кислород под действием видимого света.
Авторы работы отмечают, что простота получения гематена делают его довольно перспективным материалом для использования в качестве двумерного магнита, например в спинтронике, или для разработки новых эффективных фотокатализаторов.
Несмотря на то, что наиболее популярным способом получения двумерных кристаллов все еще остается эксфолиация, сейчас активно развиваются и другие методы. Например, для получения слоистых гетероструктур, состоящих из двумерных кристаллов разного состава, японские ученые создали специальный прибор, который собирает такие материалы автоматически.
Александр Дубов
Биоинженерная ткань предназначена для лечения болезни Пейрони и травм органа
Китайские и американские исследователи разработали искусственную белочную оболочку полового члена, которая предназначена для лечения травм и деформаций этого органа. Предварительные испытания бионического материала на свиньях дали хорошие результаты. Отчет о работе опубликован в журнале Matter.