中國儲能網(wǎng)訊：大約15年前，美國德雷塞爾大學研究團隊首次發(fā)現(xiàn)了一種用途廣泛的二維導電納米材料MXene。如今，這一團隊在新一期《先進材料》雜志上報告稱，他們成功制備了這種材料的一維“近親”——MXene納米卷軸，并首次實現(xiàn)對其形貌和化學結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控。這種新型一維導電納米材料有望在儲能器件、生物傳感器及可穿戴電子設備等方面展現(xiàn)應用潛力。
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”被有效消除。這種開放的管狀幾何結(jié)構(gòu)就像為快速傳輸開辟了“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，團隊以多層MXene片層為前驅(qū)體，通過精確控制水參與的化學反應，調(diào)節(jié)材料表面化學狀態(tài)，引發(fā)結(jié)構(gòu)不對稱和晶格應變。在內(nèi)應變釋放的驅(qū)動下，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頭發(fā)絲的百分之一。團隊在6種不同類型的MXene上驗證了這一方法，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10克的納米卷軸，同時實現(xiàn)了對其化學組成和物理結(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域具有潛在優(yōu)勢。由于其開放中空的幾何形態(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，納米卷軸兼具較高剛性和導電性，可在可穿戴電子設備中同時發(fā)揮力學增強和導電網(wǎng)絡支撐作用。
值得關注的是，研究團隊在碳化鈮MXene納米卷軸中觀察到超導行為的初步跡象。此前，這類材料的超導性僅在壓制成型的顆?；蚍勰┲谐霈F(xiàn)。卷曲過程中引入的晶格應變和一維連續(xù)結(jié)構(gòu)，可能為超導態(tài)的穩(wěn)定提供了條件，其具體機制仍有待進一步研究。
