科學家們正在推動二維納米材料的創新，這些材料僅由幾個原子厚，並合成出最多包含九種過渡金屬的 MXenes 超薄片。這一突破可能會改變材料在極端環境下的性能，廣泛應用於航空航天、能源儲存和先進電子產品等領域。研究人員表示，這標誌著在原子尺度上有序與無序如何影響材料特性的理解上邁出了重要一步。
MXenes 是一類於 2011 年發現的二維碳化物和氮化物，因其高導電性、可調性和獨特的表面化學性而被視為最具前景的納米材料。它們的層狀結構僅有一納米厚，使其成為在極端苛刻條件下運行技術的理想構建塊。普渡大學的 Babak Anasori 和研究小組在最新研究中測試了 MXene 的構建極限，將多達九種不同的金屬從元素周期表中融入單一的二維片中。
研究小組創建了近 40 種具有不同組合的層狀材料，並檢查了熵，即自然驅動無序的力量，如何與焓，即有序原子排列的傾向相互競爭。Anasori 提到，這就像用兩到九種配料製作漢堡包，使用兩到六種時，層次總是有序堆疊，但當添加更多配料時，漢堡會以真正的無序形式形成。他們的研究顯示，較小的金屬組合更傾向於穩定的有序結構，而較高數量則導致“高熵”相，其中原子安排不可預測。了解這一轉變對設計能夠在嚴苛條件下保持穩定的材料至關重要。
該研究小組首先合成了層狀的“母”MAX 相，然後將其轉換為 MXenes，以分析其表面和電子行為。這使他們能夠將有序-無序轉變與功能性特性相連接，這是工程定制材料的重要一步。研究的第一作者 Brian Wyatt 表示，這項研究表明，高熵材料中的短程有序性決定了熵與焓對其結構和性能的影響。在層狀陶瓷和二維材料研究中，這擴展了這些材料的家族及其潛在應用。
Anasori 的實驗室專注於創造能在當前材料失效的地方茁壯成長的 MXenes，無論是在屏蔽電磁波還是用作下一代通訊的超薄天線方面。Anasori 表示，他們希望繼續推動材料的極限，尤其是在當前材料無法滿足的極端環境下。“無論是促進清潔能源，還是在極端寒冷或高熱的航空航天中延長電動車的續航，還是製作能在太空或深海環境中運行的材料，我希望我們的工作能夠促進下一代技術的發展。”這項研究得到了美國、波蘭和韓國的機構資助，並發表在《科學》期刊上。
