科技日報記者 張佳欣
大約15年前，美國德雷塞爾大學研究團隊首次發現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，并首次實現對其形貌和化學結構的精準調控。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應用潛力。
在傳統二維MXene中，片層在堆疊狀態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構后，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構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片層為前驅體，通過精確控制水參與的化學反應，調節材料表面化學狀態，引發結構不對稱和晶格應變。在內應變釋放的驅動下，MXene層逐漸剝離并自發卷曲，形成穩定的納米卷軸結構。
與傳統二維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、穩定地制備出總量達10克的納米卷軸，同時實現了對其化學組成和物理結構的可控調節。
這種一維MXene結構在傳感和柔性電子領域具有潛在優勢。由于其開放中空的幾何形態，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揮力學增強和導電網絡支撐作用。
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。卷曲過程中引入的晶格應變和一維連續結構，可能為超導態的穩定提供了條件，其具體機制仍有待進一步研究。
