基于 MXene 结构演变机制的高性能薄膜制备与多尺度增强机理研究

《Nature Communications》：Non-van der Waals superlattices reconcile the strength and conductivity of MXene films

　　

摘要

传统的宏观MXene薄膜制备方法需要使用大量的粘合剂（如聚合物链或纤维素）来连接相邻的纳米片层，这些粘合剂会削弱MXene本身的功能特性，使其沦为单纯的导电填充材料。在此，我们提出了一种利用MXene自有的结构演变机制来实现非范德华力超晶格卷曲结构的制备方法，该方法同时增强了层间应力传递并建立了高效的导电路径，从而克服了传统MXene薄膜在机械性能和电性能之间的矛盾。由此制备出的高性能MXene薄膜具有出色的拉伸强度（598 MPa）和导电性（13682 S/cm），同时还具备优异的电磁屏蔽性能。然而，目前对于不同尺度上的增强机制仍缺乏系统性的理解，这限制了高性能MXene薄膜的合理设计。为了解决这一问题，我们系统地阐明了从微观尺度上的裂纹偏转机制，到纳米尺度上的动态滑移与能量耗散过程，以及通过分子相互作用实现的局部电荷重排等复杂增强机制。这项工作为机械性能的提升建立了一个涵盖微观、纳米和分子三个尺度的多尺度框架，代表着高性能薄膜开发领域的重要进展。