北航《Nature》+1，刷新世界纪录！

“卷”出新世界：让MXene自己卷起来，打造最强导电超晶格

自从石墨烯掀起二维材料革命以来，科学家们便希望通过“层层堆叠”的人工超晶格，实现超越天然晶体的全新性能。然而，现有超晶格几乎都依赖范德华（vdW）作用力连接层间结构，这种弱耦合限制了电荷传输和能量调控，使得超晶格的潜能难以完全释放。为实现真正意义上的强界面耦合结构，研究者们尝试突破vdW体系的束缚，但如何在非范德华（non-vdW）体系中构建有序层状结构、并兼顾高导电性与结构稳定性，仍是材料科学的一大难题。

今日，北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授团队报道了一种全新的非范德华碳化物/碳氮化物超晶格（non-vdW superlattices）。研究团队提出一种 “刚度调控卷曲（stiffness-mediated rolling-up）”策略，在MXene层中引入金属空位，触发原子层在溶液中自发卷曲，形成具有氢键相互作用的强耦合超晶格。这种独特结构不仅实现了高达3×10⁴ S cm⁻¹的超高电导率（约为常规MXene的22倍），还在电磁屏蔽中表现出124 dB的屏蔽效能——刷新了同厚度人工材料的世界纪录。该研究首次将“氢键耦合”引入非vdW层状体系，为二维材料的组装提供了新的化学维度，也为电子、航空和通信领域的高性能材料开辟了全新方向。相关成果以“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”为题发表在《Nature》上，第一作者为Qi Zhao。

从“平片”到“卷轴”：非范德华超晶格的诞生

在传统MXene体系中，层与层之间仅靠范德华力叠合，如同“松散堆叠的卡片”。而本文另辟蹊径，通过调控MXene层的弯曲刚度（bending stiffness），让纳米片在溶液中自行“卷曲”起来（图1a）。研究以V₂AlC为原料，经HF原位刻蚀获得多层MXene（V₂CTₓ），再引入体积庞大、表面张力低的四丁基膦羟化物（TBPH），实现快速剥离与卷曲，仅需0.3秒即可形成一维卷轴结构。几乎所有MXene（达96 wt%）都转化为规则卷曲体，层间距约1.14 nm，展现出极高的单分散性与可控性（图1b,c）。理论计算表明，金属空位的引入显著降低MXene的弯曲刚度，使其更易发生柔性卷曲。当Ef ≤ 0时，体系达到稳定卷曲状态，并在层间形成稳定氢键（图1a）。这意味着，超晶格间不再是弱范德华作用，而是由氢键“锁定”的强界面耦合，为高电子密度传输奠定基础。

图1：非范德华超晶格的形成原理

氢键锁层，构筑非vdW超晶格的电子通道

透射电镜（TEM）显示，所得V₂CTₓ卷轴结构具有高度有序的螺旋排列，呈莫尔条纹样周期结构，对应扭转角约6.0°（图2b,c）。高分辨图像揭示其形成六角晶胞的莫尔超晶格（图2d），并在电子衍射中观察到稳定的周期性。更重要的是，傅里叶红外光谱（FTIR）证实层间存在大量–OH和=O基团所形成的氢键网络，与传统vdW界面截然不同。这种“氢键-超晶格”结合的体系被定义为非范德华超晶格（non-vdW superlattice），其电子特性同样非凡：紫外光电子能谱（UPS）表明，费米能级附近的电子态密度显著增强（图2e），密度泛函计算进一步揭示层间电荷积累区贯穿界面（图2f），形成连续的电子传导通道。这正是其高电导率的结构根源。

图2：非范德华超晶格的结构表征

22倍导电提升：MXene的“量子跃迁

为验证其电输运性能，研究者构建了单根非vdW超晶格器件（图3a）。四探针测试显示，电流–电压曲线呈典型欧姆特征，导电率高达3.0×10⁴ S cm⁻¹（图3b），相比普通V₂CTₓ纳米片（1.4×10³ S cm⁻¹）提升了整整22倍。霍尔测试进一步确认，其载流子浓度高达10²² cm⁻³，是常规MXene的百倍以上。值得注意的是，该结构在低温下展现出反常的正磁阻效应（图3d），不同于一般MXene体系的负磁阻现象，显示其电子传输机制已发生本质变化。团队推测，这与层间氢键增强的强耦合通道有关，能够有效抑制缺陷散射与局域化效应。

图3：单根超晶格的电输运性能

刷新纪录的电磁屏蔽性能：124 dB！

在电磁屏蔽（EMI）测试中，这种非vdW超晶格再次展现出惊人性能。研究者通过真空抽滤法制得随机取向膜，厚度仅40 μm，就能实现119 dB的屏蔽效能（SET），阻断99.99999999987%的电磁辐射（图4b）。进一步通过液晶取向与挤出技术制备定向膜，再叠层形成“随机–定向–随机”的三明治结构，屏蔽效能提升至124 dB（图4b–d），为迄今所有同厚度人工材料中的最高值。在结构上，卷曲层间的氢键与多界面散射显著增强了偶极极化损耗与吸收损耗（图4a），使屏蔽过程从单纯反射转变为“吸收主导型”。同时，其单位厚度比屏蔽值（SSE/t）高达2×10⁵ dB cm² g⁻¹（图4e），远超铜箔与传统MXene膜，堪称“超轻质超级屏蔽材料”。这意味着，只需指甲厚度的一层薄膜，就能屏蔽掉几乎所有微波信号，为航空航天与5G通信领域提供极具前景的新材料。

图4：非范德华超晶格的电磁屏蔽性能

总结与展望

该研究以 “卷曲+氢键”的创新策略，打破了二维材料层间耦合的传统范式，从“物理叠加”跨越到“化学锁定”。通过精确调控MXene原子层的刚度和空位浓度，团队不仅在非范德华体系中成功构筑出可控莫尔超晶格，还实现了前所未有的电导率与电磁屏蔽性能双突破。这种“氢键非vdW超晶格”不仅为人工晶体提供了全新的化学构筑思路，也为高功率电子、隐身防护、甚至量子电子器件的设计提供了广阔想象空间。未来，随着更多过渡金属碳氮化物体系被引入，这一方法有望发展出多组分可编程超晶格，让二维材料真正进入“化学可设计”的新时代

来源：高分子科学前沿

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