能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們誘導(dǎo)了一種二維材料，將自身作為原子“積木”，從而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

    調(diào)查結(jié)果，為快速充電儲(chǔ)能和電子設(shè)備提供可能改進(jìn)二維材料設(shè)計(jì)的見解。在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，鈦和碳原子可以自發(fā)地形成一個(gè)二維過渡金屬碳化物的原子薄層，這是以前從未觀察到的，“ORNL的夏漢說。他和ORNL的RaymondUnocic領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)小組，他們使用最先進(jìn)的掃描透射電子顯微鏡（Stemm）和基于理論的模擬來進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)，以揭示這一機(jī)制的原子化細(xì)節(jié)。Unocic補(bǔ)充說：”這項(xiàng)研究的目的是確定原子級(jí)機(jī)制和動(dòng)力學(xué)，這些機(jī)制和動(dòng)力學(xué)負(fù)責(zé)形成二維過渡金屬碳化物的新結(jié)構(gòu)，從而為這類材料實(shí)現(xiàn)新的合成方法。“起始材料是一種叫做MXene的二維陶瓷（發(fā)音為”max en“）。與大多數(shù)陶瓷不同的是，MXenes是很好的導(dǎo)電材料，因?yàn)樗鼈兪怯商蓟虻M成的交替原子層，夾在過渡金屬中，如鈦。

    這項(xiàng)研究是流體界面反應(yīng)、結(jié)構(gòu)和傳輸中心（第一）中心的一個(gè)項(xiàng)目，這是一個(gè)能源部能源前沿研究中心，旨在探索在日常應(yīng)用中對(duì)能量傳輸有影響的流體-固體界面反應(yīng)。科學(xué)家們進(jìn)行了合成和表征先進(jìn)材料的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了理論和模擬工作，以解釋觀察到的材料的結(jié)構(gòu)和功能特性。來自第一個(gè)項(xiàng)目的新知識(shí)為今后的研究提供了指導(dǎo)。這些實(shí)驗(yàn)所用的高質(zhì)量材料是由德雷塞爾大學(xué)的科學(xué)家們以五層單晶單層MXene薄片的形式合成的。這些薄片來自一種名為”MAX“的母晶體，其中含有一種過渡金屬，以”M“表示；一種元素，如鋁或硅，以”A“表示；以及一個(gè)碳或氮原子，以”X“表示。研究人員使用酸性溶液蝕刻出單原子鋁層，剝落材料并將其分層為單個(gè)碳化鈦MXene（Ti3C2）的單層。

    ORNL的科學(xué)家們將一片大的MXene薄片懸浮在加熱芯片上，芯片上有孔，因此沒有支撐材料或襯底干擾片狀物。在真空條件下，懸浮片暴露于熱環(huán)境中，用電子束輻照，清洗MXene表面，充分暴露鈦原子層。MXenes通常是惰性的，因?yàn)樗鼈兊谋砻娓采w著保護(hù)性官能團(tuán)-氧、氫和氟原子，它們?cè)谒釀兟浜笕匀淮嬖凇．?dāng)保護(hù)組被移除后，剩下的材料就會(huì)激活。原子級(jí)缺陷-”空位“鈦原子在蝕刻過程中被移除-暴露在單層的外層上。”這些原子空位是很好的起始點(diǎn)，“Sang說。”這對(duì)鈦是有利的，而且碳原子從有缺陷的地方移動(dòng)到表面。“在有缺陷的區(qū)域，當(dāng)原子遷移時(shí)，孔隙可能形成。

    Sang說：”一旦這些功能團(tuán)消失了，現(xiàn)在剩下的是一個(gè)裸露的鈦層（以及下面是交替的碳、鈦、碳、鈦），可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上自由地重建和形成新的結(jié)構(gòu)。“高分辨率的STEM成像證明，原子從材料的一個(gè)部分移動(dòng)到另一個(gè)部分來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。因?yàn)槲镔|(zhì)是以自身為食。

    賓夕法尼亞州立大學(xué)的Adri van Duin說：”這種生長機(jī)制完全得到了密度泛函理論和反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬的支持，從而為利用這些理論工具確定合成特定缺陷結(jié)構(gòu)所需的實(shí)驗(yàn)參數(shù)開辟了未來的可能性。“在大多數(shù)情況下，只有一層（碳和鈦）生長在表面上。隨著原子形成新的層，材料發(fā)生了變化。例如，Ti3C2變成了Ti4C3。Unocic說：”這些材料在離子傳輸方面是有效的，這很適合電池和超級(jí)電容器的應(yīng)用。“”當(dāng)我們?cè)诩{米薄的MXene薄膜上添加更多的層時(shí)，離子傳輸是如何變化的？“這個(gè)問題可能會(huì)刺激未來的研究。

    德雷塞爾大學(xué)的尤里·戈戈西補(bǔ)充說：”由于含有鉬、鈮、釩、鉭、鉿、鉻和其他金屬的MXenes存在，因此有機(jī)會(huì)制造出各種新的結(jié)構(gòu)，其中含有三或四個(gè)以上的金屬原子在截面上（最大相產(chǎn)生的MXenes的當(dāng)前極限）。“”這些材料可能表現(xiàn)出不同的有用特性，并為推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造了一系列二維積木。“在ORNL納米材料科學(xué)中心（CNMS），于謝、孫偉偉和保羅·肯特進(jìn)行了第一性原理理論計(jì)算，解釋了為什么這些材料一層地生長，而不是形成方形等交替結(jié)構(gòu)。李旭凡和小凱幫助理解了生長機(jī)制將表面能降到最低以穩(wěn)定原子構(gòu)型。賓州大學(xué)的科學(xué)家們進(jìn)行了大規(guī)模的動(dòng)態(tài)反應(yīng)力場(chǎng)模擬，顯示了原子如何在表面重新排列，證實(shí)了缺陷結(jié)構(gòu)及其在實(shí)驗(yàn)中觀察到的演化。

    研究人員希望新的知識(shí)能幫助其他人進(jìn)步。材料產(chǎn)生有用的納米結(jié)構(gòu)。MXenes的金屬導(dǎo)電性和親水性已成為可充電電池和超級(jí)電容器的電極，以及光熱癌癥治療、電磁屏蔽、水凈化和氣體傳感等其他應(yīng)用領(lǐng)域。在雜志上安格萬特化學(xué)，研究人員現(xiàn)在引進(jìn)了一種新的生產(chǎn)方法。他們沒有使用傳統(tǒng)的、價(jià)格更昂貴的鈦鋁碳化物，而是選擇性地從碳化鈦（一種更便宜、更常見的前驅(qū)體）中蝕刻硅來合成碳化鈦。

    二維材料，由幾個(gè)原子厚度極薄的層組成，具有與普通的三維版本完全不同的獨(dú)特性質(zhì)。這方面的一個(gè)突出例子是石墨烯，它是由單層碳原子構(gòu)成的。2011年，在美國賓夕法尼亞州費(fèi)城的Drexel大學(xué)合成了一種新的二維材料。這種材料被稱為MXenes，材料由過渡金屬碳化物和氮化物組成，其中M代表過渡金屬，如鈦、釩或鉬，X可以是碳和/或氮，而且有許多成分（大約30種已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，預(yù)計(jì)還會(huì)有幾十種）。MXene就是其中之一碳化鈦Ti3C2.獲得所需的MXene通常需要一個(gè)迂回的過程：層狀碳化物和氮化物（稱為MAX相）被氫氟酸選擇性地蝕刻，以除去”A“元素的層數(shù)，A元素是13或14組元素，如鋁，硅，或鍺。這樣，從碳化鈦（Ti）中蝕刻出的鋁就可以得到碳化鈦。3阿爾克2）然而，這種原料昂貴，生產(chǎn)復(fù)雜。相比之下，硅模擬，鈦碳化硅（Ti）3碳化硅2），市面上可以買到，價(jià)格也比較便宜。鈦3碳化硅22011年，德雷塞爾第一次嘗試有選擇地蝕刻，但是僅僅用氫氟酸就合成失敗了，因?yàn)楣柙优c相鄰的硅原子緊密地結(jié)合在一起。過渡金屬原子。德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地改變了這一過程。通過添加氧化劑，研究人員可以削弱硅鍵并氧化硅。使用混合物氫氟酸研究小組還加入了一種氧化劑，如硝酸、過氧化氫或高錳酸鉀，通過選擇性地從鈦中除去硅來生產(chǎn)碳化鈦MXene。3碳化硅2.刻蝕過程中留下大量的碳化鈦，這些碳化鈦可以分層制成片狀，厚度約為1納米。研究人員用這種方法制作了靈活的、導(dǎo)電的。鈦碳化物薄膜的規(guī)模比較大。這種新的方法可以使MXenes的生產(chǎn)更加容易，并為新的MXenes及其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)開辟了道路。二維材料從含硅前驅(qū)體開始，擴(kuò)大了科學(xué)家和工程師可以獲得的二維納米片的家族。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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