特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
Science封面
研究背景
碳化鈦（Ti3C2Tx）MXene納米片具有優異的力學性能和電導率，在航空航天和電子設備領域展現出良好的應用前景。
關鍵問題
然而，MXene的應用仍存在以下問題：
1、將MXene納米片組裝成宏觀薄膜存在挑戰
目前，將碳化鈦 (Ti3C2Tx) MXene 納米片組裝成宏觀薄膜面臨著諸多挑戰，包括空隙、低取向度和弱界面相互作用，這些都會降低機械性能。
2、通過調整界面相互作用可以降低空隙，但拉伸強度仍遠低于單層MXene
空隙和界面相互作用也是提升所得MXene薄膜應力傳遞效率的重要因素。通過依次橋接離子鍵和共價鍵來組裝大小不一的MXene薄片，進一步降低了空隙，但所得MXene薄膜的拉伸強度遠低于本征單層MXene的拉伸強度。
新思路
有鑒于此，北京航空航天大學程群峰教授等人展示了一種超強宏觀 MXene 薄膜，使用液態金屬 (LM) 和細菌纖維素 (BC) 依次橋接 MXene 納米片 (LBM 薄膜)，實現了908.4兆帕的拉伸強度。使用反復循環的刀片涂層的逐層方法將 LBM薄膜中的取向度提高到 0.935，而具有良好變形能力的LM將空隙降低到 5.4%的孔隙率。界面相互作用通過來自BC的氫鍵和與LM的配位鍵得到增強，從而提高了應力傳遞效率。順序橋接為將其他二維納米片組裝成高性能材料提供了途徑。
技術方案：
1、制備了LBM薄膜
作者創新地制備了超強LBM薄膜，具有高拉伸強度和低孔隙率，通過XAS驗證了界面強配位鍵。
2、探究了LBM膜中的界面相互作用
作者通過XRD和XPS顯示LBM薄膜成功引入BC和LP， XAS和VT-FTIR驗證了配位鍵和氫鍵的穩定性，DFT計算揭示了MXene-LM界面的強相互作用。
3、分析了LBM薄膜的機械性能
MXene基薄膜經優化后，LBM薄膜拉伸強度達908.4 MPa，斷裂分析顯示高應力傳遞效率，DFT和模擬驗證了其斷裂機制。
4、證實了LBM薄膜的電磁干擾屏蔽性能
作者表明MXene基薄膜在電導率和電磁干擾屏蔽效能(EMI SE)方面表現出色，EMI SE t?1值達23,600 dB mm?1，強度高，優于多種材料。
技術優勢：
1、提出了創新的逐層橋接技術
作者通過液態金屬和細菌纖維素的順序橋接技術，顯著提升了MXene納米片的界面相互作用和應力傳遞效率，實現了高取向度和低孔隙率的超強宏觀MXene薄膜。
2. 獲得了具有卓越力學性能的超強宏觀MXene薄膜
LBM薄膜展現出了908.4兆帕的超高拉伸強度，結合良好的電磁屏蔽效率，證明了其在高性能材料領域的應用潛力，同時為其他二維納米片的組裝提供了新途徑。
技術細節
LBM薄膜的制作
研究人員成功開發了一種超強宏觀MXene薄膜，通過液態金屬(LM)和細菌纖維素(BC)的逐層橋接方法，制備出具有高拉伸強度和低孔隙率的LBM薄膜。通過超聲波法制備的聚多巴胺(PDA)包覆的LM納米粒子，增強了MXene納米片與LM之間的界面相互作用。X射線吸收光譜(XAS)證實了Ti-O→Ga3+和C-O→Ga3+的配位鍵，而聚焦離子束(FIB)和納米計算機斷層掃描(nano-CT)技術揭示了薄膜的致密結構和3D微結構。LBM薄膜的拉伸強度高達908.4 MPa，孔隙率僅為5.4%，表現出優異的力學性能和取向度，為高性能MXene基材料的開發提供了新途徑。
圖 LBM薄膜的制備示意圖和特性
LBM膜中的界面相互作用
作者通過XRD分析，發現隨著BC和LP含量的增加，BM和LPM薄膜的d間距增大，而LBM薄膜在(002)峰處衍射角最小，表明BC和LP成功引入。XPS揭示了BM薄膜中新出現的C-OH峰，證實了氫鍵形成，而LPM和LBM薄膜中Ga-O峰的出現歸因于Ti-O→Ga3+配位鍵。XAS進一步證實了LBM薄膜中Ga離子帶正電和O→Ga3+配位鍵的存在。VT-FTIR光譜驗證了LBM薄膜中氫鍵和配位鍵的穩定性，顯示配位鍵在加熱下保持一致。DFT計算揭示了LBM膜中界面相互作用的強度，其中MXene-LM界面的配位鍵最強，ELF圖進一步驗證了這些結果。
圖 LBM薄膜的界面相互作用表征
LBM薄膜的機械性能
通過逐層刮涂法制備的MXene、BC、BM、LPM和LBM薄膜展現出優異的力學性能。BM薄膜在55.0 wt% BC含量下拉伸強度達到533.0 MPa。進一步優化后，LBM薄膜在49.4 wt% BC和9.7 wt% LP含量下，拉伸強度顯著提升至908.4 MPa。斷裂形貌分析顯示LBM薄膜具有密堆積的層狀結構，以及在拉伸過程中MXene納米片間的高應力傳遞效率。DFT計算和有限元分析模型揭示了LBM薄膜的斷裂機制，其中氫鍵和配位鍵的逐步斷裂為能量耗散提供了關鍵作用。模擬的應力-應變曲線與實驗結果高度吻合，驗證了LBM薄膜的卓越力學性能和斷裂機理。
圖 LBM薄膜的力學性能及斷裂機制
LBM薄膜的電磁干擾屏蔽性能
作者表明MXene基薄膜在電導率和電磁干擾屏蔽效能(EMI SE)方面表現出色。BM薄膜隨BC含量增加電導率降低，而LPM薄膜在LP含量為6.2 wt%時電導率達到最大值8475 S·cm?1。LBM薄膜電導率為1875 S·cm?1，抗氧化性能優越，相對濕度下電導率保持80.3%。在X波段，1.1 mm厚的LBM薄膜EMI SE達26.0 dB，隨著厚度增加，EMI SE提高。屏蔽機制主要為反射，MXene納米片與自由空間阻抗不匹配導致入射微波被反射和吸收。LBM薄膜的EMI SE t?1值達23,600 dB mm?1，強度高，優于多種材料。
圖 EMI屏蔽效能表現
展望
總之，作者利用LM和BC依次橋接MXene納米片，制備出了一種超強宏觀LBM薄膜。LM納米粒子有效地減少了LBM薄膜的空隙。MXene納米片之間的界面相互作用通過BC的氫鍵和與LM的配位鍵大大增強。這些結果進一步提高了LBM薄膜中MXene納米片的應力傳遞效率。此外，LBM薄膜具有很高的電磁屏蔽效率。本文提出的使用LM和BC的制造策略減少了空隙并提高了應力傳遞效率，這可能使其他二維納米片組裝成高性能材料成為可能。
參考文獻：
Wei Li, et al. Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal. Science, 2024,385(6704): 62-68
DOI: 10.1126/science.ado4257
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4257#tab-contributors
