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    研究人員發(fā)明了一種方法，將不同元素層插入到那些均一的、可預(yù)測(cè)性能的穩(wěn)定材料之中，現(xiàn)在正在測(cè)試一系列可以大大擴(kuò)展的新組合，制備更快、更小、更高效儲(chǔ)能、耐磨損材料。

    科學(xué)家們測(cè)試的自然的極限、，甚至是化學(xué)存在的極限，只是建立在元素周期表上的某些新的性質(zhì)。德雷塞爾大學(xué)研究人員發(fā)明了一種方法，將不同元素層插入到那些均一的、可預(yù)測(cè)性能的穩(wěn)定材料之中，現(xiàn)在正在測(cè)試一系列可以大大擴(kuò)展的新組合，制備更快、更小、更高效儲(chǔ)能、耐磨損材料。

    由德雷塞爾大學(xué)材料科學(xué)與工程系BabakAnasori博士后領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種材料制備方法，可以將那些無(wú)法以穩(wěn)定方式結(jié)合的元素組裝成夾心2-D片層。他們采用鉬、鈦合碳構(gòu)建了2個(gè)全新的層狀二維材料，證明了這種方法的可行性。

    “將一至二層原子層的過(guò)渡金屬（如鈦）夾在另一種金屬（如鉬）的單原子層之間，用碳原子將它們牢牢結(jié)合在一起，制成穩(wěn)定的材料。”Anasori說(shuō)，“一旦這種結(jié)構(gòu)中有三到四層鉬，就不可能制成2-D材料，但由于我們添加了額外的鈦?zhàn)鳛檫B接，就可以合成2-D材料了。”

    該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，代表了一種將元素材料結(jié)合成儲(chǔ)能技術(shù)（如電池、電容器和超級(jí)電容器、以及手機(jī)和盔甲上用的超強(qiáng)復(fù)合材料）原材料的新方法。原子級(jí)層的每一個(gè)新組合都代表著新的性能，研究人員認(rèn)為一種或者更多種這樣的新材料將具有與尺寸不成比例的儲(chǔ)能性能和壽命，有可能徹底改變未來(lái)的技術(shù)。

    “雖然在這點(diǎn)上很難講，我們發(fā)現(xiàn)的這類(lèi)新型2-D材料究竟會(huì)有怎樣的表現(xiàn)，但它是安全的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使材料科學(xué)和納米技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)未知的領(lǐng)域。”Anasori如是說(shuō)。

    掌控材料（Mastering Materials）

    將二維的元素以有序方式結(jié)合，從而生成新材料，是德雷塞爾大學(xué)納米材料研究人員十多年來(lái)的目標(biāo)。在原子級(jí)別上實(shí)現(xiàn)這種有序結(jié)合并不是一件容易的事情。

    “受制于結(jié)構(gòu)和電荷的影響，某些元素并不‘喜歡’結(jié)合在一起。”Anasori說(shuō)，“就像試圖將磁鐵相同極性的一面堆在一起一樣——這是不會(huì)成功的。”

    但是德雷塞爾大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的方法來(lái)規(guī)避這一化學(xué)挑戰(zhàn)。使用的原材料是杰出教授Michel W. Barsoum博士（同時(shí)也是MAX/MXene研究小組負(fù)責(zé)人）20多年前發(fā)明的一種MAX相。MAX相就像是產(chǎn)生第一組織的原始軟泥一樣——最終成本的所有元素都是MAX相，等待研究人員發(fā)布命令。

    Michel W. Barsoum博士和YuryGogotsi博士于2011年首次合成了穩(wěn)定的、二維層狀材料，稱作MXene。YuryGogotsi博士是德雷塞爾大學(xué)納米材料課題組負(fù)責(zé)人、工程學(xué)院Distinguished University和Trustee Chair教授。

    為了合成MXenes，研究人員通過(guò)酸刻蝕從一大塊MAX相中選取了鋁原子層。

    “MXene的合成就像是將木頭切片似的，將木板浸泡于溶解膠水的化學(xué)試劑中。”Anasori說(shuō)，“將MAX相浸于酸中，可以選擇性的刻蝕掉某些層，將MAX相轉(zhuǎn)變成許多薄的2-D片，也就是MXenes。”

    至于儲(chǔ)能材料，MXenes是一個(gè)啟示。發(fā)現(xiàn)之前，石墨烯（碳的單原子層）是第一個(gè)認(rèn)為在儲(chǔ)能方面具有潛在應(yīng)用的二維材料。但是，它只有一個(gè)元素，碳，所以很難改變石墨烯的形式，從而限制了其儲(chǔ)能性能。新型的MXenes具有可以儲(chǔ)存更多能量的表面。

    元素困境（An Elemental Impasse）

    四年之后，研究人員研究元素周期表中稱作“過(guò)渡金屬”的元素，產(chǎn)生MAX相，并將其刻蝕成各種成分的MXenes，所有的這些都在測(cè)試其儲(chǔ)能性能。

    Anasori的發(fā)現(xiàn)遇到了一個(gè)困境。

    “試圖合成含鉬的MXenes時(shí)遇到了一些困難。”Anasori說(shuō)，“加入鈦，設(shè)法合成有序的鉬MAX相，其中鈦原子位于中心位置，而鉬原子位于外部。”

    下一個(gè)前沿（The Next Frontier）

    現(xiàn)在，在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室FIRST能源前沿研究中心研究人員理論計(jì)算的幫助下，德雷塞爾大學(xué)研究小組已經(jīng)從原理上知曉了，可以采用這種方法合成25中不同組合的過(guò)渡金屬，比如之前不會(huì)去嘗試的鉬和鈦。

    “科學(xué)界已知的不同層狀元素形成最薄的材料有可能導(dǎo)致令人興奮的新結(jié)構(gòu)，并獲得前所未有的性能”Barsoum說(shuō)，“這種新的分層方法給研究人員提供了難以計(jì)數(shù)的調(diào)整材料‘性能’的可能性。”

    Anasori計(jì)劃通過(guò)用其他金屬取代鈦合成更多的材料，如釩、鈮、鉭，挖掘出適合于儲(chǔ)能和其他應(yīng)用的物理性能。

    “2-D材料中這種級(jí)別的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、或分層，有望導(dǎo)致許多新的具有超出其性能的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。”Gogotsi說(shuō)，“我們看到了在熱電、電池、催化劑、太陽(yáng)能電池、電子器件、結(jié)構(gòu)化合物等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用前景，在原子級(jí)別上達(dá)到了一個(gè)新的工程水平。”