扫描电子显微镜下的二维材料MXenes。图片来源：普渡大学

本报讯 科学家成功使一个热门二维材料——MXenes家族的成员数量翻了一番，甚至创纪录地在其中一种材料中塞进了9种金属。这一壮举让研究人员兴奋不已，因为它为设计大量奇怪但有用的物质打开了大门。相关研究9月4日发表于《科学》。

MXenes家族此前就备受关注，它们具有高导电性，有望用于下一代电池和防电磁干扰涂层。此外，这种材料还可以分散在水中，因此能被喷涂到物体表面。

2011年，美国德雷塞尔大学纳米材料学家Yury Gogotsi团队合成了有史以来第一种MXenes—— 一块二维碳化钛片。与标志性的二维材料石墨烯（单层碳原子）不同，MXenes包含多层金属和碳或氮原子，例如碳化钛就是两层钛原子夹在一层碳上。

但是当添加更多金属后，科学家无法严格控制哪些金属最终会进入哪一层。论文作者、美国普渡大学材料工程师Babak Anasori说，由于原子的特性，比如每个原子的大小和对电子的“渴望”，某些金属“喜欢”进入特定的层中。

由于这些限制，科学家无法制造出内层或外层含有某些特定金属的MXenes。例如，钼“喜欢”在外层，而钛“喜欢”被包裹，钨、锆等一些金属则难以掺入。材料更倾向于采用一种原子结构，以最大限度地减少创造它所需的能量或焓。

2021年，Anasori团队成功制备出含有4种金属的MXenes。这让他们开始思考能否突破极限，超越4种元素。合成含有更多金属的MXenes的一大障碍便是无法确定复杂层状材料的结构，也无法验证各种金属所处的位置。2021年，Anasori团队在制备出含4种金属的MXenes时就表示，“我们无法以原子精度说出制造了什么”。因此，Anasori、Gogotsi等人随后与波兰卢卡西威茨科研网络计划的离子质谱专家Pawel Michalowski合作，通过逐层去除MXenes中的原子来验证材料的组成。

当研究人员用4到6种金属制造MXenes时，他们观察到了与以前类似的排序。例如，尽管在内层也可以发现微量的钼，但大部分钼存在于外层。然而，当团队将掺入的金属增加到7种甚至更多时，金属并没有按照通常的情况分层，而是均匀地结合到每一层中——包括钨在内的此前难以掺入的金属都可以容纳其中。这是一个令人兴奋的进展，因为二维材料中的钨可被用作制造氢燃料的催化剂。

“这是热力学。”Anasori解释说，熵与焓在驱动有序-无序转变中存在竞争机制，一旦MXenes中有7种或更多的金属时，系统中的熵似乎会“战胜”焓，从而更容易掺入原本具有挑战性的其他成分。（徐锐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adv4415