能源部橡树岭国家实验室的科学家们诱导了一种二维材料，将自身作为原子“积木”，从而形成稳定的结构。

    调查结果，为快速充电储能和电子设备提供可能改进二维材料设计的见解。在我们的实验条件下，钛和碳原子可以自发地形成一个二维过渡金属碳化物的原子薄层，这是以前从未观察到的，“ORNL的夏汉说。他和ORNL的RaymondUnocic领导了一个小组，他们使用最先进的扫描透射电子显微镜（Stemm）和基于理论的模拟来进行原位实验，以揭示这一机制的原子化细节。Unocic补充说：”这项研究的目的是确定原子级机制和动力学，这些机制和动力学负责形成二维过渡金属碳化物的新结构，从而为这类材料实现新的合成方法。“起始材料是一种叫做MXene的二维陶瓷（发音为”max en“）。与大多数陶瓷不同的是，MXenes是很好的导电材料，因为它们是由碳或氮组成的交替原子层，夹在过渡金属中，如钛。

    这项研究是流体界面反应、结构和传输中心（第一）中心的一个项目，这是一个能源部能源前沿研究中心，旨在探索在日常应用中对能量传输有影响的流体-固体界面反应。科学家们进行了合成和表征先进材料的实验，并进行了理论和模拟工作，以解释观察到的材料的结构和功能特性。来自第一个项目的新知识为今后的研究提供了指导。这些实验所用的高质量材料是由德雷塞尔大学的科学家们以五层单晶单层MXene薄片的形式合成的。这些薄片来自一种名为”MAX“的母晶体，其中含有一种过渡金属，以”M“表示；一种元素，如铝或硅，以”A“表示；以及一个碳或氮原子，以”X“表示。研究人员使用酸性溶液蚀刻出单原子铝层，剥落材料并将其分层为单个碳化钛MXene（Ti3C2）的单层。

    ORNL的科学家们将一片大的MXene薄片悬浮在加热芯片上，芯片上有孔，因此没有支撑材料或衬底干扰片状物。在真空条件下，悬浮片暴露于热环境中，用电子束辐照，清洗MXene表面，充分暴露钛原子层。MXenes通常是惰性的，因为它们的表面覆盖着保护性官能团-氧、氢和氟原子，它们在酸剥落后仍然存在。当保护组被移除后，剩下的材料就会激活。原子级缺陷-”空位“钛原子在蚀刻过程中被移除-暴露在单层的外层上。”这些原子空位是很好的起始点，“Sang说。”这对钛是有利的，而且碳原子从有缺陷的地方移动到表面。“在有缺陷的区域，当原子迁移时，孔隙可能形成。

    Sang说：”一旦这些功能团消失了，现在剩下的是一个裸露的钛层（以及下面是交替的碳、钛、碳、钛），可以在现有结构的基础上自由地重建和形成新的结构。“高分辨率的STEM成像证明，原子从材料的一个部分移动到另一个部分来构建结构。因为物质是以自身为食。

    宾夕法尼亚州立大学的Adri van Duin说：”这种生长机制完全得到了密度泛函理论和反应分子动力学模拟的支持，从而为利用这些理论工具确定合成特定缺陷结构所需的实验参数开辟了未来的可能性。“在大多数情况下，只有一层（碳和钛）生长在表面上。随着原子形成新的层，材料发生了变化。例如，Ti3C2变成了Ti4C3。Unocic说：”这些材料在离子传输方面是有效的，这很适合电池和超级电容器的应用。“”当我们在纳米薄的MXene薄膜上添加更多的层时，离子传输是如何变化的？“这个问题可能会刺激未来的研究。

    德雷塞尔大学的尤里·戈戈西补充说：”由于含有钼、铌、钒、钽、铪、铬和其他金属的MXenes存在，因此有机会制造出各种新的结构，其中含有三或四个以上的金属原子在截面上（最大相产生的MXenes的当前极限）。“”这些材料可能表现出不同的有用特性，并为推进技术创造了一系列二维积木。“在ORNL纳米材料科学中心（CNMS），于谢、孙伟伟和保罗·肯特进行了第一性原理理论计算，解释了为什么这些材料一层地生长，而不是形成方形等交替结构。李旭凡和小凯帮助理解了生长机制将表面能降到最低以稳定原子构型。宾州大学的科学家们进行了大规模的动态反应力场模拟，显示了原子如何在表面重新排列，证实了缺陷结构及其在实验中观察到的演化。

    研究人员希望新的知识能帮助其他人进步。材料产生有用的纳米结构。MXenes的金属导电性和亲水性已成为可充电电池和超级电容器的电极，以及光热癌症治疗、电磁屏蔽、水净化和气体传感等其他应用领域。在杂志上安格万特化学，研究人员现在引进了一种新的生产方法。他们没有使用传统的、价格更昂贵的钛铝碳化物，而是选择性地从碳化钛（一种更便宜、更常见的前驱体）中蚀刻硅来合成碳化钛。

    二维材料，由几个原子厚度极薄的层组成，具有与普通的三维版本完全不同的独特性质。这方面的一个突出例子是石墨烯，它是由单层碳原子构成的。2011年，在美国宾夕法尼亚州费城的Drexel大学合成了一种新的二维材料。这种材料被称为MXenes，材料由过渡金属碳化物和氮化物组成，其中M代表过渡金属，如钛、钒或钼，X可以是碳和/或氮，而且有许多成分（大约30种已经进行了实验演示，预计还会有几十种）。MXene就是其中之一碳化钛Ti3C2.获得所需的MXene通常需要一个迂回的过程：层状碳化物和氮化物（称为MAX相）被氢氟酸选择性地蚀刻，以除去”A“元素的层数，A元素是13或14组元素，如铝，硅，或锗。这样，从碳化钛（Ti）中蚀刻出的铝就可以得到碳化钛。3阿尔克2）然而，这种原料昂贵，生产复杂。相比之下，硅模拟，钛碳化硅（Ti）3碳化硅2），市面上可以买到，价格也比较便宜。钛3碳化硅22011年，德雷塞尔第一次尝试有选择地蚀刻，但是仅仅用氢氟酸就合成失败了，因为硅原子与相邻的硅原子紧密地结合在一起。过渡金属原子。德雷塞尔大学Yury Gogotsi领导的一个团队已经成功地改变了这一过程。通过添加氧化剂，研究人员可以削弱硅键并氧化硅。使用混合物氢氟酸研究小组还加入了一种氧化剂，如硝酸、过氧化氢或高锰酸钾，通过选择性地从钛中除去硅来生产碳化钛MXene。3碳化硅2.刻蚀过程中留下大量的碳化钛，这些碳化钛可以分层制成片状，厚度约为1纳米。研究人员用这种方法制作了灵活的、导电的。钛碳化物薄膜的规模比较大。这种新的方法可以使MXenes的生产更加容易，并为新的MXenes及其相关产品的生产开辟了道路。二维材料从含硅前驱体开始，扩大了科学家和工程师可以获得的二维纳米片的家族。

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责任编辑：殷鹏飞

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