同类相食材料自发形成新的纳米结构

加热单层MXene后，从两个表面上除去官能团。钛和碳原子从一个区域迁移到两个表面，形成一个孔并形成新的结构。

能源部橡树岭国家实验室的科学家们诱导出了一种二维材料，用以吞噬原子的“基石”，从而形成稳定的结构。

据《自然通讯》报道，这项发现提供了可改善用于快速储能和电子设备的2D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形成2D过渡金属碳化物的原子薄层，这是以前从未见过的，” ORNL的Xiahan Sang说。

他和ORNL的Raymond Unocic领导了一个团队，该团队使用最先进的扫描透射电子显微镜（STEM）结合基于理论的模拟进行了原位实验，以揭示该机理的原子细节。

Unocic补充说：“这项研究是关于确定构成2D过渡金属碳化物新结构的原子级机理和动力学，以便可以为此类材料实现新的合成方法。”

起始材料是称为MXene的2D陶瓷（发音为“ maxeen”）。与大多数陶瓷不同，MXenes是良好的电导体，因为它们由夹在过渡金属（如钛）中的碳或氮原子交替层制成。

该研究是美国能源部能源前沿研究中心流体界面反应，结构和传输（FIRST）中心的一个项目，该中心探讨了在日常应用中对能量传输产生影响的流体-固体界面反应。科学家进行了合成和表征高级材料的实验，并进行了理论和模拟工作来解释所观察到的材料的结构和功能特性。FIRST项目的新知识为将来的研究提供了指南。

这些实验中使用的优质材料由德雷克塞尔大学的科学家以MXene的五层单晶单层薄片形式合成。鳞片取自称为“ MAX”的母体晶体，该母体晶体包含以“ M”表示的过渡金属。铝或硅等元素，用“ A”表示；碳原子或氮原子，用“ 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碳化钛MXene（Ti3C2）的单个单层。

ORNL的科学家将一块大的MXene薄片悬挂在加热芯片上，并在芯片上钻了孔，因此没有支撑材料或基材干扰薄片。在真空下，将悬浮的薄片暴露于热并用电子束照射以清洁MXene表面并完全暴露钛原子层。

MXene通常是惰性的，因为它们的表面覆盖有保护性官能团-酸剥落后残留的氧，氢和氟原子。除去保护基团后，剩余的物质被激活。原子级缺陷（在蚀刻过程中去除钛原子时产生的“空位”）暴露在单层的外层上。桑说：“这些原子空位是很好的起始位点。”“钛和碳原子从缺陷位置移动到表面是有利的。”在有缺陷的区域，当原子迁移时可能会形成孔。

桑说：“一旦这些官能团消失了，现在您将剩下一个裸露的钛层（下面是交替的碳，钛，碳，钛），可以自由地在现有结构的顶部重建并形成新的结构。”

高分辨率STEM成像证明原子从材料的一部分移动到另一部分以构建结构。因为材料靠自己为食，所以生长机理是食人的。

宾夕法尼亚州立大学的Adri van Duin表示：“生长机理完全由密度泛函理论和反应性分子动力学模拟所支持，从而为将来使用这些理论工具确定合成特定缺陷结构所需的实验参数提供了可能性。”

在大多数情况下，表面仅生长一层[碳和钛]。随着原子建立新的层，材料发生了变化。例如，Ti 3 C 2变成Ti 4 C 3。

Unocic说：“这些材料在离子传输方面非常有效，非常适合电池和超级电容器应用。”“当我们在纳米级MXene板中添加更多层时，离子迁移会如何变化？”这个问题可能会刺激未来的研究。

“由于可以得到含钼，铌，钒，钽，ha，铬和其他金属的MXene，因此有机会制造横截面中包含三到四个以上金属原子的各种新结构（目前生产的MXene的限量从MAX阶段开始），”德雷克塞尔大学的Yury Gogotsi补充道。“这些材料可能显示出不同的有用特性，并创建了一系列用于先进技术的2D构建块。”

在ORNL的纳米相材料科学中心（CNMS），谢宇，孙卫伟和保罗·肯特进行了第一性原理计算，以解释为什么这些材料逐层增长而不是形成正方形等替代结构。Li Xufan Li和Kai Xiao帮助理解了生长机理，该机理使表面能最小化，从而稳定了原子构型。宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了大规模动态反作用力场模拟，显示了原子如何在表面重新排列，从而确认了缺陷结构及其在实验中观察到的演化。

研究人员希望这些新知识将帮助其他人生长先进的材料并产生有用的纳米级结构。

该论文的标题是“对单层二维过渡金属碳化物的生长机理的原位原子洞察”。

作为美国能源部科学技术办公室资助的能源前沿研究中心FIRST中心的一部分，该研究得到了支持。在CNNL（ORNL美国能源部科学用户设施办公室）进行了原位像差校正的STEM成像。该研究使用了美国国家能源研究科学计算中心的资源，该中心是美国劳伦斯伯克利国家实验室的DOE科学用户设施办公室。

出版物：Xiahan Sang等人，“对单层2D过渡金属碳化物的生长机理的原位原子洞察”，《自然通讯》第9卷，文章编号：2266 (2018)