《ACS Nano》迈向建筑纳米复合材料电磁干扰屏蔽：MXenes和更高

【科研摘要】

实现出色的电磁干扰（EMI）屏蔽以及机械柔韧性，光学透明性和环境稳定性，对于涂料，静电放电，电子显示器以及可穿戴和便携式电子设备的未来至关重要。不幸的是，由于缺乏对基础材料的物理特性和结构-特性关系的了解，因此工程设计具有所有这些所需特性的材料具有挑战性。大自然提供了许多示例，这些示例是通过对具有选择长度的成分的多种长度尺度的层次结构进行精确工程而对属性进行组合的。这种灵感反映在各种各样的合成建筑纳米复合材料中。最近，美国Dhriti Nepal等科研工作者简要概述了分层架构在基于MXene的薄膜纳米复合材料中的作用方面的最新进展，以寻求实现多种功能，尤其着重于出色的EMI屏蔽，透明性和机械强度的组合。作者还将讨论关键机遇，挑战和前景。相关论文Toward Architected Nanocomposites: MXenes and Beyond发表再《ACS Nano》上。

【背景介绍】

在当前的物联网时代，设备和实体连接到全球互连网络中，对EMI屏蔽材料的需求不断增长，这种材料可以消除串扰并保护电子电路和设备。诸如公共卫生安全，人机界面以及电子和电信设备操作之类的应用程序需要完成的功能不仅仅是EMI屏蔽。满足这些要求所需的材料必须具有出色的导电性，但还必须轻巧，超薄，透明，柔性，机械坚固，无腐蚀并且能够变形和感知。在一个材料系统中实现多种功能是一项巨大的挑战。

导电聚合物，具有碳同素异形体的聚合物纳米复合材料（单/双/多壁碳纳米管，石墨烯片），不同组成和形状的无机纳米粒子以及二维（2D）片也已被研究用于EMI屏蔽。但是，由于在微波和射频下的EMI-SE依赖于自由载流子的响应，因此在保持良好的机械性能和光学透明性的同时，要以最低的适当厚度和密度实现高电磁干扰屏蔽效果（EMI-SE）存在困难。通常，EMI-SE随着电导率的增加而增加，但是具有高电导率的材料（即金属）通常具有在紫外线或可见光范围内的等离激元激发波长，从而使它们对可见光和红外光不透明。因此，寻求工程材料以在低频下最大化一种或多种损耗机制，同时保持光学和红外频率下的透明性。设计此类材料的潜在挑战主要是由于：（a）对填料，基体和相间的形态和内在特性如何影响电荷传输特性并补偿吸收损耗缺乏了解；（b）透明度和EMI-SE的根本相反要求，并且缺乏有关优化特性的设计和配置的知识；（c）缺乏健全的理论和计算框架，无法为多种长度尺度的材料选择和性能优化提供指导。

【图文解析】

基于MXenes的多功能结构纳米复合材料

二维平面结构（例如石墨烯和MXenes）具有大的长宽比，出色的导电性和良好的机械性能，这些都为高性能EMI屏蔽材料展示了广阔的前景。与石墨烯片的均质成分不同，MXene（Mn+1XnTx，其中M =早期过渡金属，X=碳和/或氮，Tx=功能性表面终端）是一类较大的2D碳化物，氮化物和碳氮化物，具有到目前为止，理论上可以预测70种不同的成分，而实验上可以合成30多种不同的成分。

拥有如此广阔的设计空间，可以根据元素组成，表面化学（边缘与基础），相间，形态和3D架构对性能进行微调。MXene的一些属性包括出色的金属导电性，亲水性，出色的机械性能和有效的表面官能团。结果，对于同时需要高电导率和易于加工的应用，多次选择了MXene。最近，Yun等结果表明，在EMI-SE方面，高度剥落的MXenes优于石墨烯及其衍生物。溶剂型剥离系统的主要区别之一是与石墨烯相比，Ti3C2Tx的电导率更高。加工过程中不可避免的表面缺陷会大大降低石墨烯的电导率；尽管这种现象似乎在多层多层Ti3C2Tx中不那么明显，但具体机理尚不清楚。（Adv. Mater. 2020, 32, 1906769）。

用于潜在电磁干扰类型应用的MXene的研究蓬勃发展。

有机会探索并提取自然界的设计原理，从而创造出具有高EMI-SE，超柔韧性和透明性的结构化复合材料。通常，这些原理可以与理论和模拟相结合，以指导有机物/无机物/聚合物在界面/中间相之间进行精确工程设计，并选择地选择成分，并以多种长度尺度控制层次结构（图1）。

图1. MXenes和更多功能的自然灵感架构示意图。窗玻璃牡蛎在可见光下显示透明性，同时具有机械弹性。

构筑的MXenes纳米复合材料的电磁干扰屏蔽，光学透明性和机械灵活性

Chen等人仔细实施了这四种策略（图2A），以实现多种特性的非常规组合，包括出色的EMI屏蔽，透明性，机械柔韧性，声学感应和环境稳定性。（ACS Nano 2020, 14, 16643– 16653）。对于材料，作者选择了Ti3C2Tx和银纳米线（AgNWs）的单层。AgNW薄膜以出色的透明性和导电性而著称，通常优于铟锡氧化物（ITO）薄膜。为了避免这些缺陷，作者在每一层中采用了毛细管力诱导的纳米级焊接策略，从而在AgNWs和Ti3C2Tx的结内以及AgNWs和Ti3C2Tx的界面之间实现了出色的电接触。先前的研究表明，由毛细管力引起的压力足以焊接AgNW网络（图2B）。MXene焊接的AgNW网络的分层结构提高了导电性并保留了透射率（图2B）。优化的Ti3C2Tx密度（20 mg m–2）足以形成MXene焊接的AgNW网络结构，该结构既具有出色的导电性又具有良好的透射性。这种对层，形态，结和界面进行纳米级精密工程的方法可同时提高电导率和机械性能以及保留的透射率（图2C–E）。最终的分层结构在恒定的1.3 mm半径下经受了3000次弯曲循环，表明这些薄膜在复杂变形下的长期耐用性。图2F显示了3D间隙分层结构的优化几何形状。薄膜中AgNWs的密度是另一个变量，对于最大化内部反射至关重要，其中每个组成层都需要一个AgNWs的渗透导电网络。受控的间隙，分层结构设计显示出显着增强的屏蔽性能，保持了高透射率（图2G，H）。

图2.（A）示意图，显示透明MXene /银纳米线（MA）膜的制造过程。（B）比较MXene和AgNWs的薄层电阻和透光率。（C）在不同弯曲半径（弯曲）处的弯曲测试和（D）半径为1.3 mm的循环弯曲测试。（E）MA20/205膜在半径为1.3 mm的3000个弯曲循环后的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）的长期稳定性。（F）显示d-MA膜的制备过程的示意图。插图是d-MA胶片的特写照片。（G）具有不同间隙距离的MA20/164和d-MA10/82薄膜的相对透射率。（H）具有不同间隙距离的MA和d-MA膜的实验和模拟SE值。

Chen等人展示了一种轻质的纳米复合材料，具有非凡的性能组合，包括出色的电磁干扰屏蔽，透明性，出色的机械柔韧性，环境稳定性和声音感应。

挑战与未来展望

推进基于MXene的层次结构的发展面临着许多挑战，这些层次结构适用于未来电子设备的EMI屏蔽。需要系统的实验和理论来弥合对EM响应的潜在机制的重大知识鸿沟。需要了解元素组成，表面化学性质，形态和3D结构对吸收和EMI-SE的影响。已经提出了许多增强MXene屏蔽的潜在机制。单个MXene薄片内部的多次反射和多次散射事件等概念与使用完整基质转移方法进行的分析一致。但是，尚未完全阐明薄片内电导，界面偶极子以及薄片内和薄片间散射在EMI-SE中的具体作用。例如，由于许多不同的天然和工程表面组，有时在MXene膜上测得的直流电导率与单个薄片的固有电导率会有很大差异。因此，当使用已建立的模型分析这些结构化结构的EMI-SE和光学透明度时，重要的是要在适合模型的长度尺度上区分微观和整体性质。

MXene的表面化学非常复杂，由共价和非共价相互作用，悬空键等组成，而用当前的标准方法几乎无法通过实验进行跟踪。需要更全面的方法，例如组合合成和特定的表面功能化。使用扫描透射电子显微镜电子能量损失光谱，介电/开尔文探针光谱，扫描微波显微镜，表面探针拉曼和基于原子力显微镜的红外光谱，必须进行局部定性和/或定量表征。这些实验结果需要与本构关系的第一性原理计算紧密结合。

需要优化某些处理功能，以控制剥落化学，剥落质量，表面功能化，溶剂，分散液，氧化稳定性，形状和粒径。要使MXenes优异的内在特性转化为中尺度，单层的高产量是必要的，这一点尚待建立。由于MXenes的热氧化稳定性和腐蚀性很差，因此必须通过受控的表面官能化对表面进行仔细的钝化处理。大自然提供了许多环境弹性示例：层次结构和疏水性涂层是可以在MXenes或以上的纳米复合材料中实现的一些基本原理。同样，加工参数对于实现高薄膜透明度至关重要。还需要了解退火条件对界面化学的影响以及所产生的孔隙和空隙对增加EMI-SE的作用。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsnano.0c09834

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