一种新工艺可以让科学家通过化学方法将二维材料的纳米级层分开并缝合在一起——就像裁缝改衣服一样——可能只是设计可持续能源未来技术的工具。来自中国、德雷克塞尔大学和瑞典的研究人员开发了一种结构分裂、编辑和重构层状材料的方法，称为 MAX 相和 MXenes，有可能生产出具有非常不寻常的成分和卓越性能的新材料。

“化学剪刀”是一种旨在与特定化合物反应以破坏化学键的化学品。最初的一套化学剪刀，旨在打破有机分子中的碳氢键，十多年前就有报道。

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在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，国际团队报告了一种磨利剪刀的方法，这样它们就可以以破坏单个原子平面内原子键的方式切开极其坚固和稳定的层状纳米材料，然后替换新元素——从根本上在单个化学“片段”中改变材料的成分。

这项研究开启了材料科学的新时代，使二维和层状材料的原子工程成为可能。

这一发现是在全世界对一种名为石墨烯的二维纳米材料感到兴奋之后发生的，当发现它的研究人员团队在2010年获得诺贝尔奖时，它被认为是现存最强的材料。石墨烯的发现扩大了对其他原子级薄材料的搜索具有非凡特性的材料——如 MXenes。

Drexel 的团队一直在孜孜不倦地探索 MXene 材料的特性，最终发现了其出色的导电性、耐用性以及吸引和过滤化合物的能力等。但在某些方面，MXenes 的潜力从一开始就受到它们的生产方式以及可用于制造它们的有限 MAX 相和蚀刻剂的限制。

“以前我们只能通过调整 MAX相的化学性质或用于蚀刻它的酸来生产新的 MXenes，”Gogotsi 说。“虽然这使我们能够创建数十个 MXenes，并预测可以创建更多的 MXenes，但该过程不允许大量控制或精确度。”

相比之下，由 Gogotsi 和中国科学院教授 Qing Huang 博士领导的团队在其科学论文中报告的过程解释说，“层状过渡金属碳化物的化学剪刀介导的结构编辑”，根据 Gogotsi 的说法，这更像是进行手术。

第一步是使用路易斯酸性熔盐(LAMS)蚀刻方案，像往常一样去除 A 层，但也可以用另一种元素（例如氯）代替它。这很重要，因为它使材料处于化学状态，因此可以使用第二套由金属（例如锌）组成的化学剪刀将其层切开。

这些层是 MAX 相的原材料，这意味着添加一点化学“砂浆”——一种称为插层的过程——让团队构建自己的 MAX 相，然后可用于创建新的 MXenes，定制以增强具体属性。

“这个过程就像对 MAX 结构进行手术切割，剥离层，然后用新的和不同的金属层重建它，”Gogotsi 说。“除了能够生产新的和不寻常的化学物质，这从根本上很有趣，我们还可以制造新的和不同的 MAX 相，并使用它们来生产 MXenes，这些 MXenes 是为优化各种特性而量身定制的。”

除了构建新的 MAX 相外，该团队还报告了使用该方法创建的 MXenes，该 MXenes 可以容纳以前化学上无法容纳的新“客体原子”——进一步扩展了 MXene 材料系列。

“我们预计这项工作将导致已经非常大的分层和二维材料空间的重大扩展，”Gogotsi 说。“传统 MAX 前体无法生产的新型 MXenes 正在成为可能。当然，具有不寻常结构和特性的新材料有望实现新技术。”

根据 Gogotsi 的说法，这项研究的下一步是将二维和三维层状碳化物以及嵌入金属的二维碳化物分层为单层和几层纳米片。这将使研究人员能够表征它们的基本特性，以优化用于储能、电子和其他应用的新材料。

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