从原子混沌到定制材料——如何通过有序调控重塑MXenes材料

阿贡国家实验室的研究揭示了如何通过调控原子有序性和表面化学来塑造一类快速发展的二维材料——MXenes

通过展示MXenes何时从有序转变为无序以及这如何影响性能，科学家们正在为量身定制的材料绘制路线图。

MXene多层堆叠结构的扫描电子显微镜示意图。（图片来源：阿贡国家实验室）

本文要点：

• 阿贡国家实验室的研究人员展示了如何通过控制原子组成、结构和表面化学来设计一类称为MXenes的二维材料。
• 这项工作揭示了原子尺度上的微小变化如何显著影响材料的性能。
• 这些洞见有望加速开发出更优异的材料，用于能源、电子学、催化以及其他先进技术。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家们正在帮助人们了解几乎逐个原子地设计材料的意义所在。在最近发表的两篇论文中，科学家们展示了他们可以精确地选择材料中的原子类型、原子位置以及附着在其原子级薄层表面的物质。这种精细的控制使他们能够定制一种名为MXene的快速发展的材料。MXene适用于各种技术领域的特定工作，包括储能、催化、电子、通信、生物医学，甚至空间系统。

“我们才刚刚开始看到这些材料能做什么。因为MXenes具有极强的可调性，它们为我们提供了一种为特定需求构建材料的方式，而不是满足于一刀切的方案。”——阿贡国家实验室材料科学家 Sixbert Muhoza

MXenes是一类极薄的片状材料，通常只有几个原子厚。它们主要由过渡金属（如钛、钒或钼）与碳和/或氮键合而成。MXenes起源于称为MAX相的层状固体。当研究人员用化学方法从MAX相中移除某一层后，剩余的层可以被分离成薄而平坦的片状——即MXenes。

“我喜欢把MAX相想象成一本所有页面都粘在一起的教科书，而MXenes就是你想要抽出的单页，”阿贡国家实验室Maria Goeppert Mayer研究员Brian Wyatt解释道。“你必须溶解胶水，然后把那一页哄出来。胶水和页面代表不同的化学环境，所以原子倾向于靠近某些层。”

MXenes作为二维材料引起了广泛关注，因为与其他二维材料（如仅由碳组成的石墨烯）不同，它们可以由多种不同元素的组合构建而成。这为科学家提供了更多调控材料行为的方式。

有序性让位于无序性

发表在《Science》期刊上的研究中，阿贡国家实验室的科学家们通过创造数十种新的MAX相组成，将这一理念推向了新的前沿，几乎将可用于制备MXenes的已知化学空间扩大了一倍。他们的目标是探索当混合更多不同金属时，MAX相以及由此制成的二维MXenes中原子排列方式如何变化。他们制备了40种不同的MAX相，每种至少包含两种不同金属，在某些情况下，一个结构中甚至包含多达九种不同金属。

这项工作让团队回答了一个基本问题：在原子停止有序排列之前，一种材料中能容纳多少种不同元素？

这个答案很重要，因为原子排列会影响材料的行为。在较简单的混合物中，某些原子倾向于占据特定位置。有些靠近外层，有些则更喜欢结构的中心。但随着更多种类的原子加入，这种有序性越来越难以维持。

研究人员发现，当材料中包含多达六种不同金属时，这种有序性可以持续存在。当达到七种或更多时，排列模式就会崩溃，原子变得真正无序。

“这就是熵——自然界趋向于随机性的倾向——获胜的地方，”Wyatt说。“自然界喜欢某种有序性，但一旦我们加入足够多不同的成分，原子就很难保持有序。”

为了直接观察这一点，团队使用了一种称为二次离子质谱（SIMS）的技术，该技术允许他们逐层测量材料的组成。这让他们详细了解了不同原子在结构内部的位置。

这项工作还表明，从有序到无序的转变会影响MAX相转变为MXenes后的情况。当MXenes形成时，来自周围溶液的原子和小化学基团会附着在其表面。这些表面基团会强烈影响材料的导电性、储能能力或加速化学反应的能力。

“计算模型曾预测含有七、八或九种金属的MAX相应该不稳定，”阿贡国家实验室材料科学家Sixbert Muhoza说。“但我们证明了它们实际上可以通过熵来合成和稳定。这是一个关键发现——它意味着熵能够实现那些被认为不切实际或不稳定的材料。”

设计MXenes的路线图

发表在《Nature Reviews Materials》上的一篇关于MXene领域的更广泛综述，展示了科学家们现在有多大的空间来为实际应用设计这些材料。该综述阐述了MXenes的组成、结构和表面化学如何共同作用来控制其性能。

研究人员可以调节存在哪些金属、包含多少碳或氮、表面附着什么化学基团、是否存在原子尺度缺陷，甚至堆叠片层之间的间距。在该尺度上的微小变化就能带来性能上的巨大差异。

MXenes的未来应用包括生物医学、通信技术、光电子学、空间技术、催化、量子技术和热管理。（图片由Drexel大学的Jongyoun Kim和Yury Gogotsi提供。）

“我们喜欢说这些是设计师材料，”Wyatt说。“如果我想要某种应用，我就使用这些组成；如果我想要不同的，我就使用其他的。这个材料家族非常庞大，我们可以根据需求进行设计。”

这种设计灵活性正是MXenes被探索用于如此多用途的原因。其中一个特别有前景的应用是电磁干扰屏蔽。随着电子设备变得更小、更强大，不需要的电磁信号成为更大的问题。MXenes即使在仅纳米级厚的涂层中也能很好地阻挡这种干扰。

研究人员还在研究MXenes用于催化，即化学反应发生在表面。由于MXenes是二维的，它们的大部分原子都暴露在外并可用于有用工作。这可能减少某些反应中所需昂贵材料（如铂）的用量。

“MXenes的可调性对催化至关重要，”Muhoza说。“有时你需要特定金属作为活性位点，但块体材料中只有很小一部分区域真正活跃。使用MXenes，你可以将这些金属置于二维结构上，让它们全部暴露出来。”

该综述还指出了在生物医学、通信、量子技术、热管理和极端环境中的未来应用。在每种情况下，核心理念都是一样的：在原子尺度上量身定制材料以匹配任务需求。

塑造未来

下一个挑战是规模化。目前科学家们对如何设计MXenes有了更多了解，但将这些知识转化为产品需要更大规模的制造和产业采用。

人工智能和机器学习可能通过缩小值得测试的元素组合范围来加速这一过程。研究人员还认为MXenes对于需要高性能和低能耗的技术具有前景，包括先进电子设备、数据中心和电网系统。

“我们才刚刚开始看到这些材料能做什么，”Muhoza说。“因为MXenes具有极强的可调性，它们为我们提供了一种为特定需求构建材料的方式，而不是满足于一刀切的方案。”

在一个越来越需要为更困难、更专业化任务构建材料的世界中，MXenes可能提供了一种罕见的东西——一个科学家真正能够设计的材料平台。

其他贡献者

《Science》论文的其他贡献者包括：Yinan Yang和De-en Jiang（范德堡大学）；Paweł Michałowski（Łukasiewicz研究网络——微电子与光子学研究所）；Tetiana Parker、Francesca Urban和Yury Gogotsi（Drexel大学）；Yamile Morency、Aleksandra Vojvodic、Givi Kadagishvili、Manushree Tanwar、Hui Fang、Sanguk Han和Zahra Fakhraai（宾夕法尼亚大学）；以及Srinivasa Kartik Nemani、Annabelle Bedford、Krutarth Kamath、Anupma Thakur、Babak Anasori、Junwoo Jang、Bethany Wright、Rebecca Disko、Neil Ghosh和Xianfan Xu（普渡大学）。Zachary Hood在开展这项研究时就职于阿贡国家实验室。

这项研究由美国国家科学基金会、波兰国家科学中心、波兰国家研究与发展中心、宾夕法尼亚大学Vagelos能源科学与技术研究所、美国能源部科学办公室用户设施国家能源研究科学计算中心、韩国产业通商资源部以及阿贡国家实验室定向研发计划资助。

《Nature Reviews Materials》论文的其他贡献者包括Anupma Thakur和Babak Anasori（普渡大学），以及Jongyoun Kim和Yury Gogotsi（Drexel大学）。

这项研究由美国国家科学基金会、韩国产业通商资源部、印度科学研究所以及阿贡国家实验室定向研发计划资助。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大单一资助者，正在致力于解决我们时代的一些最紧迫挑战。更多信息，请访问 https://energy.gov/science。