德雷克塞爾大學的研究人員開發了一種新方法，將 MXenes 這種高導電性的納米材料重塑為一維結構，這可能會改善電池、生物傳感器和可穿戴電子設備。該團隊創建了一個可擴展的過程，將平坦的二維 MXene 薄片捲成超薄的管狀結構，稱為 MXene nanoscrolls。這些捲筒的厚度約為人類頭髮的 100 分之一，並且在電導率方面比其平坦的對應物更為高效。
MXenes 已經引起了超過十年的關注，因其電導性和化學多樣性。然而，生產高品質的一維 MXene 結構一直是一個挑戰。研究人員表示，材料形狀在性能中扮演著重要角色。雖然平坦結構在許多系統中表現良好，但一維形狀在需要快速運輸或機械增強的應用中具有優勢。德雷克塞爾大學工程學院的傑出教授 Yury Gogotsi 博士表示，二維形態在許多應用中非常重要，但在某些應用中，一維形態則更為出色。這就像將鋼板與金屬管或鋼筋進行比較。
通過將 MXene 薄片捲成管，團隊創造了允許離子更自由移動的中空結構。這些管也可以在保持導電性的同時增強聚合物或金屬的強度。根據 Teng Zhang 博士的說法，標準的二維 MXenes 薄片堆疊在一起，創造了一個受限的空間，離子或分子在層之間的導航和移動變得困難。通過將 2D 納米薄片轉換為 1D 捲筒，研究團隊避免了這種納米限制效應。
這一過程始於多層 MXene 薄片。研究人員小心調整化學環境，使用水來改變表面化學。這一步驟創造了一種稱為 Janus 反應的結構不平衡。隨著內部應變的產生，層之間開始剝離並捲曲成緊密的捲筒。團隊在六種不同的 MXenes 上測試了這種方法，包括碳化鈦、碳化鈮、碳化釩、碳化鉭和碳化鈦氮化物，每種都產生了一致的結果。研究人員報告稱，成功生產出多達 10 克的具有可控形狀和組成的納米捲筒。
管狀幾何形狀比堆疊的 MXene 薄片暴露了更多的活性表面積，這對於電池和化學感應非常重要。Gogotsi 說，在標準的堆疊 2D 結構中，分子吸附的活性位點往往被隱藏在層之間。捲筒的開放中空結構則解決了這個問題，允許分析物輕鬆接觸到 MXene 表面。團隊還發現，電場可以控制納米捲筒在溶液中的取向，這可能有助於在纖維或紡織品中對其進行排列。
Zhang 表示，想像一下操控數以百萬計的管狀結構，厚度是人類頭髮的 100 分之一，讓它們組建成電線或豎立起來製作刷子。研究人員還觀察到，從碳化鈮納米捲筒製成的柔性薄膜中出現了超導現象，並計劃進一步探討這一行為背後的物理機制。該研究發表在《先進材料》期刊上。
