比人類發絲薄百倍的一維納米材料有望革新下一代電池

通過將堆疊片狀結構改造為開放式管狀結構，這種新材料能降低電池內阻并提升儲能性能。

德雷塞爾大學的研究人員開發出重塑MXenes（一類高導電性納米材料）的新方法，將其轉化為一維結構，有望提升電池、生物傳感器和可穿戴電子設備的性能。研究團隊創建了可擴展的生產工藝，能將扁平的二維MXene片材卷曲成超薄管狀結構——MXene納米卷。

這些納米卷的厚度僅約為人類發絲的百分之一，且導電效率優于其平面結構版本。MXenes因卓越的導電性和化學多功能性，十余年來持續受到學界關注。然而，制備高質量的一維MXene結構始終是技術難點。

研究人員指出，材料形態對其性能具有決定性影響。雖然平面結構在許多系統中表現良好，但一維形態在需要快速傳輸或機械增強的應用中更具優勢。"二維形態在很多應用中非常重要，但某些場景下一維形態更具優勢，"德雷塞爾大學工程學院杰出教授、巴赫講席教授尤里·高果提博士解釋道，"這好比比較鋼板與金屬管或鋼筋的性能差異。"

通過將MXene片材卷成管狀，團隊創造出允許離子更自由移動的中空結構。這些管狀體還能在保持導電性的同時增強聚合物或金屬的力學性能。"在標準二維MXene中，片層相互堆疊形成了密閉空間，離子或分子難以在層間穿行，"德雷塞爾大學博士后研究員張騰博士表示，"將二維納米片轉化為一維卷曲結構，恰好規避了這種納米限域效應。"

可控卷曲工藝

該工藝從多層MXene片材開始。研究人員通過精密調控水基化學環境改變表面化學性質，引發了被稱為"Janus反應"的結構失衡。由此產生的內應力使材料層剝離并卷曲成緊密的螺旋結構。團隊在六種不同MXenes材料上測試了該方法，包括碳化鈦、碳化鈮、碳化釩、碳化鉭和碳氮化鈦，均獲得穩定結果。

研究人員成功制備出高達10克且形態成分可控的納米卷，而傳統方法常導致結構不規則或損傷。與堆疊的MXene片相比，管狀幾何結構暴露出更多活性表面積，顯著提升了離子和分子的可及性——這對電池和化學傳感至關重要。"在標準堆疊二維結構中，分子吸附的活性位點常隱藏在層間，"高果提指出，"納米卷開放的中空結構通過讓分析物更易接觸MXene表面，完美解決了這一問題。"

團隊還發現電場可控制溶液中納米卷的取向，這有助于在纖維或紡織品中實現有序排列。"想象一下操控數百萬根比發絲細百倍的微管，讓它們編織成導線或垂直豎立構成刷狀結構，"張騰描述道。在碳化鈮納米卷制成的柔性薄膜中，研究人員還觀察到超導現象，計劃進一步探究其背后的物理機制。

該研究成果已發表于《先進材料》期刊。

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