美国能源部阿贡国家实验室的科学家近日在两篇论文中展示了在原子尺度上精确设计材料的能力，揭示了一类名为MXene的二维材料的设计极限，为储能、催化、电子、生物医学等领域的定制化材料开发提供了新方向。相关成果分别发表于《科学》和《自然·材料评论》。
MXene多层堆叠结构的扫描电子显微镜示意图。(图片由Brian Wyatt、Babak Anasori和Devynn Leatherman-May提供。)
MXene是一类仅几个原子厚的片状材料，由过渡金属(如钛、钒、钼)与碳和/或氮键合而成，可从MAX相层状固体中通过化学方法剥离得到。与仅由碳构成的石墨烯不同，MXene可由多种元素组合而成，具备高度可调控性。阿贡国家实验室材料科学家西克斯伯特·穆霍扎表示，团队正根据特定需求定制材料，而非采用通用方案。
发表于《科学》的研究中，团队合成了40种不同的MAX相，每种至少包含两种不同金属，部分结构中甚至多达九种金属。研究发现，当材料中含有多达六种不同金属时，原子仍可保持有序排列;但达到七种或更多时，有序结构被打破，原子变为完全无序状态。阿贡国家实验室研究员布赖恩·怀亚特指出，这是熵——即随机性的自然倾向——占上风的结果。研究还表明，这种从有序到无序的转变会影响MXene形成后表面基团的附着方式，进而改变材料的导电性、储能能力和催化性能。穆霍扎表示，计算模型曾预测含七种以上金属的MAX相不稳定，但实验发现熵实际上可以合成并稳定这些材料，这意味着许多此前被认为不切实际的材料组合成为可能。
发表于《自然·材料评论》的综述则系统阐述了MXene的组成、结构和表面化学性质如何共同控制其性能。研究人员可调整金属种类、碳氮含量、表面化学基团、原子级缺陷及层间距等参数，这些微小变化即可显著影响材料表现。怀亚特将其比作"设计师品牌的材料"——可根据具体应用需求选择不同组合。
在应用方面，MXene在电磁干扰屏蔽领域前景突出，纳米级厚度的涂层即可有效阻挡干扰。在催化领域，由于MXene为二维结构，大量原子暴露在外可参与反应，有望减少铂等昂贵材料的用量。该综述还指出，MXene未来可在生物医学、通信、量子技术、热管理及极端环境等领域发挥作用。
研究团队表示，当前的下一个挑战是规模化生产，人工智能和机器学习有望加速元素组合的筛选进程。穆霍扎指出，团队才刚刚开始了解这些材料的潜力，MXene的强可调控性使其有望成为科学家真正能够按需设计的材料平台。
