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中国科大在《自然·材料评论》上发表MXene仿生限域组装综述论文
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中国科大在《自然·材料评论》上发表MXene仿生限域组装综述论文 近日，中国科学技术大学仿生界面材料科学全国重点实验室程群峰教授团队在《自然·材料评论》（Nature Reviews Materials）在线发表题为“Large-scale, mechanically robust bioinspired confined MXene nanocomposites”的综述论文。文章将自然界中强韧一体化的鲍鱼壳珍珠层“砖–泥”结构借鉴到MXene纳米片的组装过程中，系统阐述了湿法组装过程中产生的纳米孔隙问题及其三维表征方法，提出了协同界面作用、纳米填充和限域组装三类仿生策略，介绍了热拉伸纺丝、卷对卷刮刀涂布等可量产工艺，并总结了相应材料在热管理、电磁屏蔽、骨再生、人工肌肉等应用方向的研究进展。 MXene自2011年被报道以来，单层纳米片同时具备金属级电导率、丰富的表面端基和较高的本征力学性能，已成为最受关注的二维纳米材料之一。然而，单层纳米片在被组装成宏观薄膜或纤维时，其力学性能与本征值之间存在数量级的差距，根本原因在于纳米尺度的层间孔隙。湿化学组装的干燥过程中，溶剂蒸发引起的毛细力会使MXene纳米片皱褶、错位，并在层间留下大量纳米至微米尺度的孔隙。该孔隙问题在以往研究中常被忽略：一方面，MXene纳米片的本征力学性能远高于聚合物基体，传统电子显微镜观察到的断口呈现致密的片层形态；另一方面，传统复合材料常用的孔隙表征技术（micro-CT）的分辨率不足以分辨纳米至亚微米尺度的孔隙。借助FIB-SEMT三维断层重构与nano-CT等三维表征手段，研究者将层间孔隙以三维形式可视化，为消除孔隙致密化、改善MXene纳米复合材料的宏观力学性能奠定了基础。 鲍鱼壳珍珠层本身就是限域组装的产物。其中有机基体作为模板，调控CaCO3片晶在层间限域空间内成核与生长，形成致密的层状结构；片层之间通过矿桥结合、纳米粗糙剪切、有机层粘弹性以及片层互锁等多种界面作用协同耗散能量。受此启发，研究者将MXene纳米片与有机分子在限域空间内构建高度有序的“砖–泥”结构，并进一步形成宏观纤维或薄膜。本综述将现有应对孔隙缺陷的工作归纳为三类策略：第一类是协同界面作用，在相邻MXene纳米片之间引入氢键、离子键、共价键等多种作用力，提升层间结合强度和应力传递效率；第二类是纳米填充策略，利用0D纳米颗粒、1D纳米线或2D纳米片直接填充层间孔隙，构建致密互锁结构。这两类策略均属于被动修复策略，侧重于在结构形成之后降低孔隙率以增强载荷传递。第三类限域组装策略与之不同，针对孔隙形成的根本原因，在湿法组装的早期通过外加拉应力或纳米限域水抑制毛细收缩，从源头减少孔隙的生成。三类策略协同应用，使仿生限域组装MXene纳米复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能得到同步改善。 图1. 仿生限域组装策略：珍珠层启发的“砖–泥”结构与MXene纳米复合材料综合性能 在规模化制备方面，本综述介绍了热拉伸纺丝与卷对卷刮刀涂布两类已实现连续制备的工艺路线，分别可在常规设备上连续制备高取向的MXene复合纤维与大面积MXene复合薄膜，为后续工业化应用奠定基础。仿生限域组装MXene纳米复合材料在热管理、电磁屏蔽、成骨再生与人工肌肉等方向均展现出明显优势。在热管理方面，高度取向的层状结构形成连续的声子输运通道，使薄膜具备优良的面内导热性能，可用于低红外特征伪装、被动辐射调温和柔性焦耳加热等场景。在电磁屏蔽方面，致密、高取向的层状结构与自由空间形成较高的阻抗失配，构成以反射为主、并伴随层间多重散射–吸收的屏蔽机制。在成骨再生方面，MXene纳米片的光热转换、抗氧化与抗菌能力，结合丝胶蛋白的生物相容性和Zn2+的成骨调控作用，可显著促进引导骨再生。在人工肌肉方面，MXene表面端基与纤维素纳米纤维之间的氢键网络在温度变化下发生可逆重排，其制备的人工肌肉纤维能量密度远超天然肌肉，展现出广阔应用前景。本综述最后展望了MXene的绿色规模化剥离技术、孔隙的功能化设计以及机器学习加速的多尺度模拟等研究方向。 李雨宸和张欣瑞为本文共同第一作者，程群峰教授为通讯作者。本工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、苏州实验室开放研究基金、新基石科学基金会“科学探索奖”、苏州市仿生界面科学重点实验室基金以及中国科学技术大学苏州高等研究院启动经费的资助。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41578-026-00918-2 （仿生界面材料科学全国重点实验室、苏州高等研究院、纳米科学技术学院、科研部） |
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