特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

Science封面

研究背景

碳化钛（Ti₃C₂T_x）MXene纳米片具有优异的力学性能和电导率，在航空航天和电子设备领域展现出良好的应用前景。

关键问题

然而，MXene的应用仍存在以下问题：

1、将MXene纳米片组装成宏观薄膜存在挑战

目前，将碳化钛 (Ti₃C₂T_x) MXene 纳米片组装成宏观薄膜面临着诸多挑战，包括空隙、低取向度和弱界面相互作用，这些都会降低机械性能。

2、通过调整界面相互作用可以降低空隙，但拉伸强度仍远低于单层MXene

空隙和界面相互作用也是提升所得MXene薄膜应力传递效率的重要因素。通过依次桥接离子键和共价键来组装大小不一的MXene薄片，进一步降低了空隙，但所得MXene薄膜的拉伸强度远低于本征单层MXene的拉伸强度。

新思路

有鉴于此，北京航空航天大学程群峰教授等人展示了一种超强宏观 MXene 薄膜，使用液态金属 (LM) 和细菌纤维素 (BC) 依次桥接 MXene 纳米片 (LBM 薄膜)，实现了908.4兆帕的拉伸强度。使用反复循环的刀片涂层的逐层方法将 LBM薄膜中的取向度提高到 0.935，而具有良好变形能力的LM将空隙降低到 5.4%的孔隙率。界面相互作用通过来自BC的氢键和与LM的配位键得到增强，从而提高了应力传递效率。顺序桥接为将其他二维纳米片组装成高性能材料提供了途径。

技术方案：

1、制备了LBM薄膜

作者创新地制备了超强LBM薄膜，具有高拉伸强度和低孔隙率，通过XAS验证了界面强配位键。

2、探究了LBM膜中的界面相互作用

作者通过XRD和XPS显示LBM薄膜成功引入BC和LP， XAS和VT-FTIR验证了配位键和氢键的稳定性，DFT计算揭示了MXene-LM界面的强相互作用。

3、分析了LBM薄膜的机械性能    

MXene基薄膜经优化后，LBM薄膜拉伸强度达908.4 MPa，断裂分析显示高应力传递效率，DFT和模拟验证了其断裂机制。

4、证实了LBM薄膜的电磁干扰屏蔽性能

作者表明MXene基薄膜在电导率和电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)方面表现出色，EMI SE t⁻¹值达23,600 dB mm⁻¹，强度高，优于多种材料。

技术优势：

1、提出了创新的逐层桥接技术

作者通过液态金属和细菌纤维素的顺序桥接技术，显著提升了MXene纳米片的界面相互作用和应力传递效率，实现了高取向度和低孔隙率的超强宏观MXene薄膜。

2. 获得了具有卓越力学性能的超强宏观MXene薄膜

LBM薄膜展现出了908.4兆帕的超高拉伸强度，结合良好的电磁屏蔽效率，证明了其在高性能材料领域的应用潜力，同时为其他二维纳米片的组装提供了新途径。

技术细节

LBM薄膜的制作

研究人员成功开发了一种超强宏观MXene薄膜，通过液态金属(LM)和细菌纤维素(BC)的逐层桥接方法，制备出具有高拉伸强度和低孔隙率的LBM薄膜。通过超声波法制备的聚多巴胺(PDA)包覆的LM纳米粒子，增强了MXene纳米片与LM之间的界面相互作用。X射线吸收光谱(XAS)证实了Ti-O→Ga³⁺和C-O→Ga³⁺的配位键，而聚焦离子束(FIB)和纳米计算机断层扫描(nano-CT)技术揭示了薄膜的致密结构和3D微结构。LBM薄膜的拉伸强度高达908.4 MPa，孔隙率仅为5.4%，表现出优异的力学性能和取向度，为高性能MXene基材料的开发提供了新途径。    

图  LBM薄膜的制备示意图和特性

LBM膜中的界面相互作用

作者通过XRD分析，发现随着BC和LP含量的增加，BM和LPM薄膜的d间距增大，而LBM薄膜在(002)峰处衍射角最小，表明BC和LP成功引入。XPS揭示了BM薄膜中新出现的C-OH峰，证实了氢键形成，而LPM和LBM薄膜中Ga-O峰的出现归因于Ti-O→Ga3+配位键。XAS进一步证实了LBM薄膜中Ga离子带正电和O→Ga3+配位键的存在。VT-FTIR光谱验证了LBM薄膜中氢键和配位键的稳定性，显示配位键在加热下保持一致。DFT计算揭示了LBM膜中界面相互作用的强度，其中MXene-LM界面的配位键最强，ELF图进一步验证了这些结果。    

图  LBM薄膜的界面相互作用表征

LBM薄膜的机械性能

通过逐层刮涂法制备的MXene、BC、BM、LPM和LBM薄膜展现出优异的力学性能。BM薄膜在55.0 wt% BC含量下拉伸强度达到533.0 MPa。进一步优化后，LBM薄膜在49.4 wt% BC和9.7 wt% LP含量下，拉伸强度显著提升至908.4 MPa。断裂形貌分析显示LBM薄膜具有密堆积的层状结构，以及在拉伸过程中MXene纳米片间的高应力传递效率。DFT计算和有限元分析模型揭示了LBM薄膜的断裂机制，其中氢键和配位键的逐步断裂为能量耗散提供了关键作用。模拟的应力-应变曲线与实验结果高度吻合，验证了LBM薄膜的卓越力学性能和断裂机理。    

图  LBM薄膜的力学性能及断裂机制

LBM薄膜的电磁干扰屏蔽性能

作者表明MXene基薄膜在电导率和电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)方面表现出色。BM薄膜随BC含量增加电导率降低，而LPM薄膜在LP含量为6.2 wt%时电导率达到最大值8475 S·cm⁻¹。LBM薄膜电导率为1875 S·cm⁻¹，抗氧化性能优越，相对湿度下电导率保持80.3%。在X波段，1.1 mm厚的LBM薄膜EMI SE达26.0 dB，随着厚度增加，EMI SE提高。屏蔽机制主要为反射，MXene纳米片与自由空间阻抗不匹配导致入射微波被反射和吸收。LBM薄膜的EMI SE t⁻¹值达23,600 dB mm⁻¹，强度高，优于多种材料。    

图  EMI屏蔽效能表现

展望

总之，作者利用LM和BC依次桥接MXene纳米片，制备出了一种超强宏观LBM薄膜。LM纳米粒子有效地减少了LBM薄膜的空隙。MXene纳米片之间的界面相互作用通过BC的氢键和与LM的配位键大大增强。这些结果进一步提高了LBM薄膜中MXene纳米片的应力传递效率。此外，LBM薄膜具有很高的电磁屏蔽效率。本文提出的使用LM和BC的制造策略减少了空隙并提高了应力传递效率，这可能使其他二维纳米片组装成高性能材料成为可能。

参考文献：    

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