北京航空航天大学最新Nature

人工超晶格由石墨烯等原子层通过逐层周期堆叠或顺序外延生长构建而成，已成为开发性能超越现有材料的新材料的多功能平台。然而，所探索的超晶格主要是范德华（vdW）超晶格，受到弱界面耦合的约束。

2025年10月22日，北京航空航天大学杨树斌团队在Nature在线发表题为“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”的研究论文，该研究提出了一种有效的合成方案，该方案实现了碳化物和碳氮化物的非vdW超晶格家族，通过刚度介导的卷起策略在层之间进行氢键。

关键步骤是通过在MX板中产生金属空位来定制源自MAX相的原子层的弯曲刚度，从而在快速弯曲变形下触发它们有序卷起。与vdW超晶格不同，具有氢键的非vdW超晶格具有高浓度的电荷载流子（1022cm−3)。因此，超晶格表现出约30,000 S cm−1的显著电导率，大约是同行的22倍。当用于电磁干扰屏蔽时，最佳非vdW超晶格薄膜表现出 124 dB的显著屏蔽效果，超过了任何具有类似厚度的已知合成材料。非vdW超晶格预计将显着拓宽材料平台，为人工堆叠系统的新发展提供可变成分和晶体结构。

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。

超晶格材料是一类由石墨烯等二维材料按周期性堆叠构筑的新体系，具有超导、铁磁与拓扑绝缘态等一系列独特的物理化学性质，在电子器件、能量存储等领域展现出广阔的应用前景。然而，目前主要集中于二维范德华超晶格体系，其层间依赖较弱的范德华作用，易受到环境波动的影响，且制备困难，严重制约了超晶格材料的发展与应用。

非范德华超晶格的制备与形成机制（图源自Nature）

该研究提出一种 “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。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09649-w