▲单层二维过渡金属碳化物（MXene）在被加热后，其两个表面的官能团均被移除。钛原子和碳原子迁移到表面，形成孔洞和新结构。
《自然通讯》（Nature Communications）杂志近日载文称，美国能源部橡树岭国家实验室(简称ORNL)的科学家们诱导了一种二维材料的自发生长，从而形成原子“构筑块”。这为设计用于快充设备等的二维材料提供了新思路。ORNL的研究人员桑夏涵（音译）说：“在我们的实验条件下，钛原子和碳原子首次自发形成了原子级的二维过渡金属碳化物（MXene）薄层。”
使用先进的扫描透射电镜（STEM），并结合理论模拟，桑和雷蒙德·乌诺奇（音译）领导的研究团队揭示了钛-碳化合物形成机制的原子细节。乌诺奇说：“这项研究旨在确定钛-碳化合物在原子水平上的形成机制和动力学，这可为构筑MXene新结构找到新思路。”
实验原材料是一种由德雷克塞尔大学（简称DU）合成的2D陶瓷材料（二碳化三钛），二碳化三钛也是一种MXene材料。与大多数陶瓷材料不同，这种2D陶瓷材料的导电性非常好：其结构中包含交替的碳（氮）原子层，夹层则为过渡金属原子（如钛原子）。首先，ORNL的科学家们将一个大型二碳化三钛薄片悬于含钻孔的加热芯片上，以排除支撑材料或基体对薄片的干扰。然后在真空条件下，研究人员对薄片施加高温，并用电子束清洁其表面，以及充分暴露钛原子层。
由于二碳化三钛的表面覆盖有保护性官能团（氧、氢和氟等），因此是典型的惰性物质。在移除保护基团后，剩余物质会被激活。原子尺度的缺陷，即蚀刻过程中去除钛原子时产生的‘空位’，将暴露在单层的外层。桑说：“这些原子空位是良好的起始位点，它们有利于钛和碳从缺陷部位转移到表面。在有缺陷的区域，原子迁移时可能就会形成孔洞。在保护基团消失后，剩下的是裸露的钛层（下面是交替的碳、钛），它们可以在现有结构的基础上自由重建和形成新结构。”高分辨率STEM成像结果显示，钛-碳材料是以自发形式构筑的。宾夕法尼亚大学（简称PSU）的阿德里安·范·杜因（音译）说：“这种生长机制完全符合密度泛函理论和反应分子动力学模拟结果。这将为以后确定合成含特定缺陷结构所需的实验参数提供借鉴。” 大多数情况下，一个表面上只会生长一层碳和钛。但随着原子层的增加，材料会发生改变，如二碳化三钛会变成三碳化四钛。
乌诺奇表示，钛-碳材料在离子传输方面非常高效，在超级电容器和电池等设备的制造中体现了巨大的应用潜力。DU的尤里·格格茨补充说：“与钛类比，含钼、铌、钒、钽等金属的MXene材料也有可能形成含3个以上金属原子的新结构。这些新结构有望成为推动纳米技术发展的新型2D构筑块。”
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
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