通過將堆疊片狀結(jié)構(gòu)改造為開放式管狀結(jié)構(gòu)，這種新材料能降低電池內(nèi)阻并提升儲(chǔ)能性能。

德雷塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出重塑MXenes（一類高導(dǎo)電性納米材料）的新方法，將其轉(zhuǎn)化為一維結(jié)構(gòu)，有望提升電池、生物傳感器和可穿戴電子設(shè)備的性能。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了可擴(kuò)展的生產(chǎn)工藝，能將扁平的二維MXene片材卷曲成超薄管狀結(jié)構(gòu)——MXene納米卷。

這些納米卷的厚度僅約為人類發(fā)絲的百分之一，且導(dǎo)電效率優(yōu)于其平面結(jié)構(gòu)版本。MXenes因卓越的導(dǎo)電性和化學(xué)多功能性，十余年來持續(xù)受到學(xué)界關(guān)注。然而，制備高質(zhì)量的一維MXene結(jié)構(gòu)始終是技術(shù)難點(diǎn)。

研究人員指出，材料形態(tài)對其性能具有決定性影響。雖然平面結(jié)構(gòu)在許多系統(tǒng)中表現(xiàn)良好，但一維形態(tài)在需要快速傳輸或機(jī)械增強(qiáng)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。"二維形態(tài)在很多應(yīng)用中非常重要，但某些場景下一維形態(tài)更具優(yōu)勢，"德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出允許離子更自由移動(dòng)的中空結(jié)構(gòu)。這些管狀體還能在保持導(dǎo)電性的同時(shí)增強(qiáng)聚合物或金屬的力學(xué)性能。"在標(biāo)準(zhǔn)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(xué)博士后研究員張騰博士表示，"將二維納米片轉(zhuǎn)化為一維卷曲結(jié)構(gòu)，恰好規(guī)避了這種納米限域效應(yīng)。"

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(diào)控水基化學(xué)環(huán)境改變表面化學(xué)性質(zhì)，引發(fā)了被稱為"Janus反應(yīng)"的結(jié)構(gòu)失衡。由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使材料層剝離并卷曲成緊密的螺旋結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)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(wěn)定結(jié)果。

研究人員成功制備出高達(dá)10克且形態(tài)成分可控的納米卷，而傳統(tǒng)方法常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不規(guī)則或損傷。與堆疊的MXene片相比，管狀幾何結(jié)構(gòu)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(xué)傳感至關(guān)重要。"在標(biāo)準(zhǔn)堆疊二維結(jié)構(gòu)中，分子吸附的活性位點(diǎn)常隱藏在層間，"高果提指出，"納米卷開放的中空結(jié)構(gòu)通過讓分析物更易接觸MXene表面，完美解決了這一問題。"

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)有序排列。"想象一下操控?cái)?shù)百萬根比發(fā)絲細(xì)百倍的微管，讓它們編織成導(dǎo)線或垂直豎立構(gòu)成刷狀結(jié)構(gòu)，"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(dǎo)現(xiàn)象，計(jì)劃進(jìn)一步探究其背后的物理機(jī)制。

該研究成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》期刊。

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