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大約15年前，美國(guó)德雷塞爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了一種用途廣泛的二維導(dǎo)電納米材料MXene。如今，這一團(tuán)隊(duì)在新一期《先進(jìn)材料》雜志上報(bào)告稱，他們成功制備了這種材料的一維“近親”——MXene納米卷軸，并首次實(shí)現(xiàn)對(duì)其形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。這種新型一維導(dǎo)電納米材料有望在儲(chǔ)能器件、生物傳感器及可穿戴電子設(shè)備等方面展現(xiàn)應(yīng)用潛力。

在傳統(tǒng)二維MXene中，片層在堆疊狀態(tài)下容易形成狹窄通道，限制離子和分子的傳輸效率。而當(dāng)片層卷曲成中空的一維結(jié)構(gòu)后，這種納米尺度的“束縛效應(yīng)”被有效消除。這種開(kāi)放的管狀幾何結(jié)構(gòu)就像為快速傳輸開(kāi)辟了“高速公路”，為離子遷移提供了更為通暢的路徑。

在制備方法上，團(tuán)隊(duì)以多層MXene片層為前驅(qū)體，通過(guò)精確控制水參與的化學(xué)反應(yīng)，調(diào)節(jié)材料表面化學(xué)狀態(tài)，引發(fā)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和晶格應(yīng)變。在內(nèi)應(yīng)變釋放的驅(qū)動(dòng)下，MXene層逐漸剝離并自發(fā)卷曲，形成穩(wěn)定的納米卷軸結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)二維MXene片層相比，新制備的一維MXene納米卷軸厚度僅為人類(lèi)頭發(fā)絲的百分之一。團(tuán)隊(duì)在6種不同類(lèi)型的MXene上驗(yàn)證了這一方法，包括兩種碳化鈦、碳化鈮、碳化釩、碳化鉭以及碳氮化鈦，并成功、穩(wěn)定地制備出總量達(dá)10克的納米卷軸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)。

這種一維MXene結(jié)構(gòu)在傳感和柔性電子領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢(shì)。由于其開(kāi)放中空的幾何形態(tài)，分子和離子可更容易接觸材料表面，有助于提升生物傳感和氣體傳感的靈敏度。同時(shí)，納米卷軸兼具較高剛性和導(dǎo)電性，可在可穿戴電子設(shè)備中同時(shí)發(fā)揮力學(xué)增強(qiáng)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)支撐作用。

值得關(guān)注的是，研究團(tuán)隊(duì)在碳化鈮MXene納米卷軸中觀察到超導(dǎo)行為的初步跡象。此前，這類(lèi)材料的超導(dǎo)性僅在壓制成型的顆粒或粉末中出現(xiàn)。卷曲過(guò)程中引入的晶格應(yīng)變和一維連續(xù)結(jié)構(gòu)，可能為超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定提供了條件，其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。