德莱克斯大学的研究者们将在创造储能材料上迈出新的一步。新的方法使得二维层状材料得以相互堆叠。这一发现将促进材料更优秀的的储能性能
科学家们的工作是测试自然，尤其是化学物质所允许存在的极限，而最近，他们在元素周期表上有了新发现。科学家们研发出一种新方法，将不同的元素层连接至性能统一且可预测的稳定材料上。德莱克斯大学的研究者们测试一系列的新组合，以追求速度更快、体积更小、效率更高的储能材料、先进电子材料以及耐磨材料。
在Babak Anasori博士后研究员的带领下，德莱克斯大学材料科学与工程系的团队创造了一种制造材料的新方法，将二维层状元素作为夹层与其他元素相连接，除此之外，并无现有稳定方法连接元素。他们使用钼、钛和碳创造了两种全新的二维层状材料，由此验证了夹层方法的有效性。
“将一层或两层过渡金属原子层（如钛）夹杂在其他金属的单原子层（如钼），同时用碳原子将钛和钼相连接，我们就能发现，一种新的材料诞生了。” Anasori说道，“在这样的结构中，仅用三至四个单原子层产生一种二维材料是不可能的，但是，我们使用钛原子作为额外的连接剂，就能够实现新材料的合成。”
由德莱克斯大学制造的有序排列的MXene微观形态
这一发现，最近在美国化学协会（ACS）的期刊《纳米》上发表。这一发现具有重要意义，其原因在于，它标志着将基础材料相结合的新方法的诞生，同时，在储能科技（如电池、电容、超级电容、超强复合材料，手机壳和防弹衣材料）的突破上又是一新的里程碑。原子之间的全新连接，夹层的厚度则代表着不同的性能。研究者们预计，这些材料将会呈现持久储能的性质，由于与其体积并不相符，在将来这将成为革命性的科技。
“尽管在当下很难说明，我们目前到底发现了多少二位材料大家族中的成员，可以保守地说，这一发现将材料科学和纳米科技领入了一个全新而神秘的领域。”Anasori说道。
掌控材料
十年来，将二维层状材料有序品排列，创造新材料一直是德莱克斯大学的纳米材料研究者们的目标。在原子级别上实现这种排列并非易事。
“由于他们的结构和电荷数，一种元素并不愿意与另一种元素相结合，”Anasori说道，“这就像是你要将磁铁以磁极同向的方式堆叠，这不太可能实现，你将不停地捡回受排斥力而飞走的磁铁。”
然而，研究者们想出了一个绝妙的主意来回避这一化学挑战，一切源于一种称为“MAX相”（Max相是一种纳米结构，含有钛、硅、碳的比例为3：1：2，是一种可以代替电子连接器和PCB金手指及其它类似材料上的镀金工艺的新的工艺）的材料，由名誉教授Michel W. Barsoum博士于两年前发现，他是MAX相和MXene研究组的带头人（MXene是一类与石墨烯类似的新兴二维材料，是过渡金属的碳化物和氮化物,由铝从层状的三元碳化合物移除过程中产生）。MAX相类似于一种产生有机体的软泥，所有元素的最终产物都在MAX相中，等待研究者们发出排列指令。
2011年，当Michel W. Barsoum博士和Yury Gogotsi博士首次创造出稳定的二位层状材料时，他们将其命名为MXene，同时发出排列指令。Yury Gogotsi博士是工程学院的首席教授，德莱克斯大学纳米材料研究组的带头人。
为了创造MXene，研究者们利用酸的腐蚀性，从而有选择性地将铝原子层从大块的MAX相中提取出来。
“想象MXene，就像将一块胶合板浸泡在溶解胶水的化学试剂中，它将分散成一片片层状木块。”Anasori说道，“将Max相投入酸中，我们将有选择性地腐蚀掉特定的原子层，从而将Max相转成纤薄的二位层状结构，我们称之为MXene。”
从储能材料的发展来看，MXene具有启发意义。在他们的发明之前，石墨烯，一种单层的碳原子，是第一种二维材料，其储能性质受到热烈追捧。然而，由于石墨烯仅由单一元素——碳构成，石墨烯的形态难以改变，储能能力有所限制。而MXene则有更大的储能表面。
研究者们的新方法使得二维材料首次得以层层堆叠，即便每层是不同的材料。
面临僵局
四年后，研究者们聚焦于过渡金属，打破了元素周期表的局限，他们创造出MAX相，蚀刻出各种组分的MXene，同时测试它们的储能性能。
当团队的进程面临元素周期表的阻碍时，Anasori的发现来的恰到好处。
“我们在生产钼MXene时面临僵局，”Anasori说道，“将钛掺入混合物中，我们成功地制作出了有序的钼MXene，其中钛原子在中心，钼原子在外侧。”
德莱克斯大学已经成功研制了层状MXene材料，并预测运用原子铺层恶毒方法，可以研制出25种材料
下一突破
现在，位于美国橡树岭国家实验室的第一能源前沿研究中心将为德莱克斯大学提供理论计算，研究团队明白，从原则上来说，通过连接过渡元素，可以造就25种新的材料，例如钼和钛，这是前人不敢尝试的。
“当今的科学界人士知道，将不同的元素制作成最薄的层状材料已成为可能，这将使材料的新结构、新性能得到前所未有的可控性。” Barsoum表示，“这一铺层方法为科学家们在材料改性、高科技运用等领域提供了无限可能。”
Anasori计划将钛替换成其他元素，从而创造出更多的材料，如钒、铌、钽。这一举措将为材料带来全新的物理性能，进而支持储能和其他应用。
“二维材料铺层的结构复杂性将带来更多新的结构，同时其性能也将受独特控制。”Gogotsi说道，“我们已经预见到这一技术将工程引上原子尺度的新台阶，其应用也将包括热点学、电池、催化剂、太阳能、电子设备、复合材料结构件和其他方方面面。”
译自：http://drexel.edu/now/archive/2015/August/sandwich-materials/#sthash.gBx6XEZa.dpuf
来源：材料与测试
译者：Kate0609
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