自从在德雷塞尔大学被发现以来的十年里，这种被称为MXenes的二维材料家族在从海水淡化、能源储存到电磁屏蔽和电信等领域的应用中显示出了巨大的前景。虽然研究人员长期以来一直在猜测其多功能性的起源，但最近由德雷克塞尔大学和加州大学洛杉矶分校领导的一项研究首次清晰地了解了MXenes能力的基础表面化学结构。
利用先进的成像技术，被称为扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道光谱(STS)，该团队还包括来自加州州立大学北岭分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员，绘制了碳化钛MXene的电化学表面形貌图，碳化钛MXene是碳化钛家族中研究最多、应用最广泛的成员。他们的研究结果发表在《细胞出版社》杂志《物质》五周年纪念刊上，将有助于解释MXene家族成员所表现出的一系列特性，并允许研究人员为特定应用定制新材料。
“MXenes的许多潜在结果来自于它们丰富的表面化学成分，”该研究的主要作者、卓克塞尔工程学院杰出大学巴赫教授尤里·戈戈西博士说，他的研究小组参与了2011年这种材料的发现。“使用扫描隧道显微镜首次在原子尺度上观察它们的表面，这是一个令人兴奋的发展，将为控制材料表面和实现MXenes在先进技术中的应用开辟新的可能性。”
尽管MXenes是二维材料，但其化学、电化学和催化性能的基础是相互作用——无论是超快的电能存储、分解水生成氢，还是从血液中提取尿素——都是由形成其表层的原子发起的。
先前的研究使用扫描电子显微镜(SEM)、二次离子质谱(SIMS)和尖端增强拉曼光谱(TERS)等技术，对MXene表面的化学结构进行了较低分辨率的观察。这些工具提供了材料组成的间接读数，但对其表面组织的复杂性提供的信息很少。
相比之下，扫描隧道显微镜和扫描隧道光谱学提供了关于材料表面结构的形状和组成，以及表面化学和性质的更直接的信息。
这些工具使用一个非常锋利的探针，当它扫描平面时，足够灵敏，可以区分一个原子和另一个原子。探针的尖端携带电荷，使其能够在经过每个原子时与之相互作用，这种相互作用被称为量子隧穿，提供了材料表面原子的信息。光谱扫描提供了原子和分子水平上的表面组成信息。扫描结果被转换成图像，形成材料表面的地形图。
“通过STM/STS，我们可以看到MXenes表面的原子排列，甚至可以用原子分辨率研究它们的电导率，”Gogotsi说。“这是理解为什么MXenes具有极端性能并在许多应用中优于其他材料的关键。它还应该帮助我们探索MXenes的量子特性，并为这种快速扩展的材料家族找到新的机会。”
根据研究人员的说法，定位原子群——称为官能团——识别它们并测量它们在表面上的性质，给定它们的特定位置和附着，对于理解MXenes如何与其他化学物质和材料相互作用都是重要的进展。
“MXene表面在化学上是不均匀的。这既是它们有趣的原因，也是它们难以研究的原因，”保罗·韦斯博士说，他是一位杰出的教授，也是加州大学洛杉矶分校的加州大学校长，他与Gogotsi一起领导了这项研究。“我们相信这也是它们惊人特性的关键。然而，我们还不知道哪些化学功能对哪些应用很重要。”
该小组的STM/STS成像显示MXene表面有10纳米的特征，可能是氧化钛簇，以及较小的突起，排列成扭曲的六边形对称，他们认为是官能团，他们继续用化学方法识别。
这项研究的结果与之前的理论、低分辨率显微镜和碳化钛MXenes表面的光谱数据一致，包括它们的表面是金属的预测。然而，根据研究小组的说法，仔细观察表面缺陷及其异质性的本质是理解它们如何影响材料行为的重要一步。
“在这项工作中，我们开始拉线。我们能够成像并开始分配一些化学功能，”Weiss说。“MXenes最有趣的未知方面之一是它们的缺陷和异质性在它们的功能和环境稳定性中所起的作用。我们现在已经迈出了探索这些角色的第一步。”
利用Drexel的材料科学家、加州大学洛杉矶分校和劳伦斯伯克利国家实验室的STM小组以及加州州立大学北岭分校的理论科学家的集体专业知识，该小组将继续对材料进行严格的分析，因为它列出了调节其化学成分以调整其不同用途的功能的过程。
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