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碳化鈦MXene薄片具有優(yōu)異的機(jī)械性能和導(dǎo)電性，以及良好的光熱轉(zhuǎn)換、生物相容性和骨誘導(dǎo)性，在航空航天、柔性電子器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

以可擴(kuò)展的方式將MXene薄片組裝成宏觀高性能材料是非常理想的，但也是非常具有挑戰(zhàn)性的。

在此，來自北京大學(xué)的鄧旭亮和北京航空航天大學(xué)的程群峰等研究者展示了一種可擴(kuò)展的策略，通過集成順序橋接的滾對(duì)滾輔助葉片涂層（RBC）來制備高性能MXene薄膜，在近紅外照射下提供良好的光熱轉(zhuǎn)換和成骨效率。相關(guān)論文以題為“Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis”于2024年10月30日發(fā)表在Nature上。

鈦碳化物（Ti?C?T?）MXene材料具有多種功能特性，包括優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能，以及良好的光熱轉(zhuǎn)換、生物相容性和成骨誘導(dǎo)性。

目前，MXene在航天、柔性電子、太赫茲吸收、儲(chǔ)能設(shè)備及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景備受關(guān)注。如何將納米級(jí)片狀的MXene制備成高性能的宏觀形態(tài)，是實(shí)現(xiàn)這些商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。刮涂、滴涂和狹縫涂覆等方法已被證明可以大規(guī)模地將MXene片材組裝成對(duì)齊的宏觀薄膜。

然而，由于層間相互作用較弱以及存在孔隙，這些大面積MXene薄膜的機(jī)械性能、電導(dǎo)率和環(huán)境穩(wěn)定性受到影響，極大地限制了其實(shí)用性。

為提高M(jìn)Xene薄膜的性能，研究者進(jìn)行了多方面的嘗試，通過增強(qiáng)層間相互作用并消除孔隙來改善薄膜性能?？梢酝ㄟ^化學(xué)交聯(lián)（如氫鍵、離子鍵和共價(jià)鍵）來提升MXene層間的連接性。

例如，插入聚乙烯醇通過氫鍵增強(qiáng)薄膜的抗拉強(qiáng)度；相鄰的MXene片層通過離子鍵結(jié)合以強(qiáng)化薄膜；通過共價(jià)鍵構(gòu)建了強(qiáng)度高且穩(wěn)定的MXene-聚多巴胺薄膜。共價(jià)鍵和氫鍵的結(jié)合還可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而顯著提高M(jìn)Xene薄膜的抗拉強(qiáng)度和韌性。

此外，小片狀MXene和離子的插層可以使薄膜更致密，提升其抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性。盡管在MXene薄膜的高性能組裝方面取得了一些進(jìn)展，但當(dāng)前薄膜的實(shí)際性能仍顯著低于單層MXene片材，這部分是由于干燥過程中毛細(xì)收縮導(dǎo)致的MXene片層錯(cuò)位所致。

此外，這些組裝方法通常仍處于實(shí)驗(yàn)室研究水平，難以大規(guī)模生產(chǎn)MXene薄膜，從而限制了其商業(yè)應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)高性能MXene薄膜的可規(guī)模化制備依然是一個(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)。

在此，研究者報(bào)告了高性能MXene薄膜的可擴(kuò)展制造，通過結(jié)合卷對(duì)卷輔助葉片涂層（RBC）工藝和順序橋接工藝。

MXene薄片首先通過氫鍵與絲膠（SS）橋接，然后使用RBC工藝以20 cm min^–¹的速度連續(xù)組裝成宏觀薄膜，然后與鋅離子（Zn²⁺）橋接以凍結(jié)濕膜的排列。

制備的MXene薄膜具有高度排列和致密的特性，具有較高的抗拉強(qiáng)度（755 MPa）、韌性（17.4 MJ m^?3）和電磁干擾屏蔽能力（78,000 dB cm²?g^?1），以及良好的環(huán)境穩(wěn)定性、光熱轉(zhuǎn)換和骨再生性能。

獲得的可擴(kuò)展順序橋接MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和緊湊的微觀結(jié)構(gòu)，層間相互作用強(qiáng)。因此，它們具有較高的機(jī)械和電氣性能，以及良好的環(huán)境穩(wěn)定性，光熱轉(zhuǎn)換和成骨能力。

圖1 S-SBM薄膜的制備工藝、結(jié)構(gòu)模型及性能。

圖2 S-MXene和S-SBM薄膜的結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能。

圖3 S-MXene和S-SBM薄膜的氧化穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換性能。

圖4 S-MXene和S-SBM膜的生物相容性和骨再生。

圖5 S-MXene和S-SBM膜對(duì)巨噬細(xì)胞的抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用及其對(duì)BMSCs的體外成骨作用。

綜上所述，研究者展示了一種可擴(kuò)展的策略，通過連續(xù)的RBC結(jié)合氫鍵和離子鍵的順序橋接來制造高度排列和緊湊的MXene薄膜，并具有強(qiáng)的層間相互作用。

制備的MXene薄膜具有較高的拉伸強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、電磁干擾屏蔽能力、抗氧化、應(yīng)力弛豫和循環(huán)機(jī)械變形能力，在近紅外照射下具有良好的光熱轉(zhuǎn)換和成骨效率，在航空航天、柔性可穿戴設(shè)備和臨床骨修復(fù)等領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用潛力。

這一策略為其他二維薄片大規(guī)模組裝成宏觀高性能材料開辟了道路。

PS：據(jù)悉，這已經(jīng)是北京航空航天大學(xué)在2024年內(nèi)發(fā)表的第4篇Nature，前三篇的時(shí)間依次如下：

北京航空航天大學(xué)今年的發(fā)CNS勢(shì)頭，不可謂不強(qiáng)啊！

參考文獻(xiàn)

Wan, S., Chen, Y., Huang, C.et al.?Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis.?Nature 634, 1103–1110 (2024).?

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/10/31/24974ec187/

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北京航空航天大學(xué)，重磅Nature！

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