MXene纳米卷轴制备全攻略：从理论到实践详解

来源：科技日报

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科技日报记者 张佳欣

大约十五年前，美国德雷塞尔大学的一个研究团队率先发现了一种用途广泛的二维导电纳米材料——MXene。时至今日，该团队在最新一期的《先进材料》杂志上发表报告称，他们成功制备出了这种材料的“近亲”——一维MXene纳米卷轴，并首次实现了对其形貌和化学结构的精准调控。这种新型一维导电纳米材料有望在储能器件、生物传感器以及可穿戴电子设备等领域展现出巨大的应用潜力。

在传统的二维MXene材料中，片层在堆叠状态下容易形成狭窄的通道，这限制了离子和分子的传输效率。然而，当片层卷曲成中空的一维结构后，这种纳米尺度的“束缚效应”得到了有效消除。这种开放的管状几何结构就像为快速传输开辟了一条“高速公路”，为离子迁移提供了更为通畅的路径。

在制备方法上，研究团队以多层MXene片层作为前驱体，通过精确控制水参与的化学反应，调节材料表面化学状态，从而引发结构不对称和晶格应变。在内应变释放的驱动下，MXene层逐渐剥离并自发卷曲，最终形成稳定的纳米卷轴结构。

与传统的二维MXene片层相比，这种新制备的一维MXene纳米卷轴厚度仅为人头发的百分之一。研究团队在六种不同类型的MXene上验证了这一方法的普适性，其中包括两种碳化钛、碳化铌、碳化锆、碳化钼以及碳氮化钛，并成功、稳定地制备出总量达10克的纳米卷轴，同时实现了对其化学组成和物理结构的可控调节。

这种一维MXene结构在传感和柔性电子领域具有潜在优势。由于其开放中空的几何形态，分子和离子可以更容易地接触材料表面，这有助于提升生物传感器和气体传感器的灵敏度。同时，纳米卷轴兼具较高的刚度和导电性，可在可穿戴电子设备中同时发挥力学增强和导电网络的支撑作用。

值得注意的是，研究团队在碳化铌MXene纳米卷轴中观察到了超导行为的初步迹象。此前，这类材料的超导性仅在压制成型的颗粒或粉末中出现。卷曲过程中引入的晶格应变和一维连续结构，可能为超导态的稳定提供了条件，其具体机制仍有待进一步研究。