德雷塞尔大学研究人员近日报告了一种制备MXene纳米卷的新工艺。MXene是一类二维导电纳米材料，研究团队近十五年前首次发现该材料体系。此次工作提出将二维MXene薄片转化为一维“纳米卷”的方法，并称这种结构在导电性与结构特征上具备潜在应用价值。

相关成果发表在《Advanced Materials》。论文称，该工艺具备可规模化特征，可从MXene前驱体出发，对纳米卷的形状以及化学结构实现精确控制。

德雷塞尔大学工程学院杰出教授、论文通讯作者尤里·戈戈茨基（Yury Gogotsi）表示，二维形态在多种应用中重要，但在部分场景下一维结构更具优势。他以钢板与金属管、钢筋作类比称，不同结构形态对应不同工程需求。

研究团队称，通过将二维MXene薄片卷曲为一维管状结构，可获得直径远小于常见管材尺度的纳米卷材料。论文指出，这类管状结构可用于增强聚合物或金属材料，也可在电池以及电容式海水淡化膜等体系中引导离子流动，从而降低传输阻力。

在离子传输机理方面，工程学院博士后研究员、论文合著者张腾表示，传统二维MXene薄片通常以平铺堆叠方式形成层状结构，层间空间狭窄，离子或分子在其中迁移路径更为曲折且受限；而将二维纳米片转变为一维纳米卷后，开放的管状结构可减少相关限制效应，为离子快速移动提供更通畅的通道。

研究人员同时提到，碳纳米管或石墨烯纳米卷等由石墨烯薄片构成的一维结构已被广泛研究，但由于MXene化学组成更为丰富、加工性更强且导电性更高，获得高质量MXene一维纳米卷长期存在难度，既往尝试往往稳定性不足。

在制备路径上，论文介绍称，工艺以多层MXene薄片为前驱体，通过严格控制化学环境，利用水改变薄片表面化学，形成被称为Janus反应的结构不对称，从而在层内引入晶格应变；在应变释放驱动下，材料发生层层剥离并卷曲，最终形成紧密的管状纳米卷。

团队表示，该方法已在六种不同MXene材料上进行验证，包括两种钛碳化物、铌碳化物、钒碳化物、钽碳化物以及钛碳氮化物，并制备出总量为10克、化学组成与物理结构可控的纳米卷样品。

在潜在应用方面，研究人员称，除电导率与机械强度外，纳米卷的几何结构也可能带来新的功能特性，适用于化学传感与功能复合材料。戈戈茨基表示，在常见二维堆叠结构中，分子吸附活性位点可能被层间遮蔽，尤其是较大的生物分子更难接触材料表面；纳米卷的开放空心结构可改善这一问题，使分析物更易接触MXene表面，并在高导电性与机械刚性支撑下获得更强且更稳定的信号输出。团队据此提出，纳米卷或可用于生物传感，并可能适用于气体传感器、电化学电容器等需要离子或分子充分接触表面的器件。

在可穿戴电子或离子电子器件方向，研究人员认为MXene纳米卷可同时提升复合材料的机械强度与导电性：其刚性结构可嵌入柔软聚合物基体，在提供强度的同时维持稳定导电网络，从而有助于制备在日常拉伸条件下仍能保持电连接的可拉伸复合材料。

此外，团队还报告称，可在溶液中通过电场调控纳米卷取向。这一结果被认为有助于将纳米卷制备为与纤维轴向对齐的结构，形成更耐用且导电的涂层，并为功能性纺织品提供增强材料方案。

在量子特性方面，研究人员表示将继续研究纳米卷的相关行为，尤其关注其超导潜力。戈戈茨基称，此前这类MXene的超导性主要局限于压制成颗粒或粉末的形态，尚未在机械柔性的溶液加工薄膜中实现；团队利用铌碳化物纳米卷，首次在自由悬浮的宏观薄膜中观察到材料性质变化并实现超导性。论文同时指出，卷曲过程引入了平面薄片中不存在的晶格应变与曲率，具体物理机制仍在研究中。

张腾表示，基于该方法，研究人员可在室温条件下将超导MXene加工为柔性薄膜、涂层或导线，用于潜在的超导互连器或量子传感器，并将进一步评估卷曲过程可能引发的其他现象。