研究人员发明了一种方法，将不同元素层插入到那些均一的、可预测性能的稳定材料之中，现在正在测试一系列可以大大扩展的新组合，制备更快、更小、更高效储能、耐磨损材料。

德雷塞尔大学的工程师采用他们发明的将MAX相刻蚀成二维层状MXene的新方法制备钼和钛的层状材料。图片来源：Drexel University

科学家们测试的自然的极限、，甚至是化学存在的极限，只是建立在元素周期表上的某些新的性质。德雷塞尔大学研究人员发明了一种方法，将不同元素层插入到那些均一的、可预测性能的稳定材料之中，现在正在测试一系列可以大大扩展的新组合，制备更快、更小、更高效储能、耐磨损材料。

由德雷塞尔大学材料科学与工程系BabakAnasori博士后领导的团队开发了一种材料制备方法，可以将那些无法以稳定方式结合的元素组装成夹心2-D片层。他们采用钼、钛合碳构建了2个全新的层状二维材料，证明了这种方法的可行性。

“将一至二层原子层的过渡金属（如钛）夹在另一种金属（如钼）的单原子层之间，用碳原子将它们牢牢结合在一起，制成稳定的材料。”Anasori说，“一旦这种结构中有三到四层钼，就不可能制成2-D材料，但由于我们添加了额外的钛作为连接，就可以合成2-D材料了。”

该发现最近发表于《ACS Nano》期刊上，代表了一种将元素材料结合成储能技术（如电池、电容器和超级电容器、以及手机和盔甲上用的超强复合材料）原材料的新方法。原子级层的每一个新组合都代表着新的性能，研究人员认为一种或者更多种这样的新材料将具有与尺寸不成比例的储能性能和寿命，有可能彻底改变未来的技术。

“虽然在这点上很难讲，我们发现的这类新型2-D材料究竟会有怎样的表现，但它是安全的，这个发现使材料科学和纳米技术进入了一个未知的领域。”Anasori如是说。

掌控材料（Mastering Materials）

将二维的元素以有序方式结合，从而生成新材料，是德雷塞尔大学纳米材料研究人员十多年来的目标。在原子级别上实现这种有序结合并不是一件容易的事情。

“受制于结构和电荷的影响，某些元素并不‘喜欢’结合在一起。”Anasori说，“就像试图将磁铁相同极性的一面堆在一起一样——这是不会成功的。”

但是德雷塞尔大学研究人员设计了一个巧妙的方法来规避这一化学挑战。使用的原材料是杰出教授Michel W. Barsoum博士（同时也是MAX/MXene研究小组负责人）20多年前发明的一种MAX相。MAX相就像是产生第一组织的原始软泥一样——最终成本的所有元素都是MAX相，等待研究人员发布命令。

Michel W. Barsoum博士和YuryGogotsi博士于2011年首次合成了稳定的、二维层状材料，称作MXene。YuryGogotsi博士是德雷塞尔大学纳米材料课题组负责人、工程学院Distinguished University和Trustee Chair教授。

为了合成MXenes，研究人员通过酸刻蚀从一大块MAX相中选取了铝原子层。

“MXene的合成就像是将木头切片似的，将木板浸泡于溶解胶水的化学试剂中。”Anasori说，“将MAX相浸于酸中，可以选择性的刻蚀掉某些层，将MAX相转变成许多薄的2-D片，也就是MXenes。”

至于储能材料，MXenes是一个启示。发现之前，石墨烯（碳的单原子层）是第一个认为在储能方面具有潜在应用的二维材料。但是，它只有一个元素，碳，所以很难改变石墨烯的形式，从而限制了其储能性能。新型的MXenes具有可以储存更多能量的表面。

元素困境（An Elemental Impasse）

四年之后，研究人员研究元素周期表中称作“过渡金属”的元素，产生MAX相，并将其刻蚀成各种成分的MXenes，所有的这些都在测试其储能性能。

Anasori的发现遇到了一个困境。

“试图合成含钼的MXenes时遇到了一些困难。”Anasori说，“加入钛，设法合成有序的钼MAX相，其中钛原子位于中心位置，而钼原子位于外部。”

下一个前沿（The Next Frontier）

现在，在橡树岭国家实验室FIRST能源前沿研究中心研究人员理论计算的帮助下，德雷塞尔大学研究小组已经从原理上知晓了，可以采用这种方法合成25中不同组合的过渡金属，比如之前不会去尝试的钼和钛。

“科学界已知的不同层状元素形成最薄的材料有可能导致令人兴奋的新结构，并获得前所未有的性能”Barsoum说，“这种新的分层方法给研究人员提供了难以计数的调整材料‘性能’的可能性。”

Anasori计划通过用其他金属取代钛合成更多的材料，如钒、铌、钽，挖掘出适合于储能和其他应用的物理性能。

“2-D材料中这种级别的结构复杂性、或分层，有望导致许多新的具有超出其性能的独特结构。”Gogotsi说，“我们看到了在热电、电池、催化剂、太阳能电池、电子器件、结构化合物等众多领域的应用前景，在原子级别上达到了一个新的工程水平。”

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天