美國能源部阿岡國家實驗室的科學家們正在將材料設計推向原子尺度，並展示如何幾乎逐個原子地調整 MXenes 以應對先進技術。在最近的兩篇出版物中，研究人員展示了控制 MXenes 中原子類型、原子位置及其原子薄表面上附著的化學基團的新方法。MXenes（讀作「max-eens」）是一類二維材料，通常僅由幾個原子組成，主要由過渡金屬，如鈦、釩或鉬，與碳和/或氮結合而成。
MXenes 材料系列的擴展始於被稱為 MAX 相的層狀固體。當研究人員從 MAX 相中化學去除一種類型的層時，剩餘的薄片可以被分離為薄而平坦的 MXene 層。阿岡的 Maria Goeppert Mayer Fellow Brian Wyatt 解釋道：「我喜歡將 MAX 相想像成一本所有頁面都被粘合在一起的教科書，而 MXenes 則是一頁你想提取的單頁。」
他補充道：「你必須溶解膠水並將那一頁引出來。膠水和頁面代表不同的化學環境，因此原子更喜歡接近某些層。」
阿岡科學家成功創造多種 MAX 相以擴展 MXenes 的應用潛力
在發表於《科學》期刊的研究中，阿岡科學家創造了 40 種不同的 MAX 相，每種相中至少含有兩種金屬，有些單一結構中甚至多達九種金屬。這一成就幾乎將可用於製造 MXenes 的已知化學空間翻倍。研究人員發現，當材料中包含最多六種不同金屬時，原子排序仍然可以持續。然而，當添加七種或更多金屬時，模式會崩潰，原子變得真正無序。Wyatt 表示：「這就是熵，對隨機性的自然趨勢勝出的時候。
自然喜歡某些類型的秩序，但一旦我們添加了足夠多的不同成分，原子就變得難以保持有序。」
研究小組利用次級離子質量譜（SIMS）逐層測量材料，以觀察不同原子的位置。Wyatt 指出：「我們喜歡説這些材料就像設計師材料。如果我想要某個特定的應用，我就使用這些組成；如果我想要不同的東西，我就使用其他組合。這一類別非常龐大，我們可以根據需要進行設計。」其中一個有前景的應用是電磁幹擾屏蔽，MXenes 可以在納米厚的塗層中阻擋不需要的信號。研究人員還在研究它們在催化領域的應用，因為其暴露的 2D 表面可以減少對鉑等昂貴材料的需求。
Muhoza 表示：「MXenes 的可調性對於催化至關重要。有時需要特定金屬作為活性位點，但實際上只有一小部分塊狀材料是活躍的。使用 MXenes，您可以將這些金屬放置在 2D 結構上，這樣它們就完全暴露出來。」下一個挑戰是將這些材料擴展到製造和行業應用。人工智能和機器學習可能會幫助研究人員識別哪些元素組合最值得測試。
