南开大学《自然·通讯》：“分子绳索”桥接策略，打造兼具超高强度、优异韧性与导电性的MXene纤维

在先进纤维材料领域，将高强度、高韧性和高导电性集成于单一合成纤维中，一直是材料科学领域追求的重大突破。这类纤维有望推动下一代可穿戴电子设备、智能纺织品、轻量化航空航天电缆以及先进储能器件等技术的发展。尽管以碳纳米管和石墨烯为代表的碳纳米材料纤维已展现出优异的拉伸强度，但其固有脆性（断裂应变通常低于5%）、有限的导电性以及依赖严苛的超高温制备工艺，严重制约了其广泛应用。新兴的二维材料MXene（碳化钛）虽兼具高机械强度、优异导电性和天然亲水性，可通过温和的湿法纺丝工艺规模化制备高导电纤维，然而，现有MXene纤维的力学性能远未达到预期，其拉伸强度普遍低于300兆帕，呈现脆性断裂特征。这背后的根本原因在于MXene纳米片之间薄弱的层间相互作用以及更为关键的——纳米片之间面内边缘-边缘耦合不足，导致应力集中和片层滑移，最终引发纤维断裂。

受古代层状板甲中绳索连接结构的启发，南开大学梁嘉杰教授团队提出了一种“分子绳索”面内桥接策略，利用羧甲基纤维素（CMC）包裹的单壁碳纳米管（SWCNTs）作为分子绳索，通过金属离子配位作用桥接相邻的MXene纳米片（图1d、e）。通过温和、连续的湿法纺丝、交联和热压工艺，研究团队制备了仅含0.12 wt%分子绳索的MXene纤维，其力学性能获得显著提升：拉伸强度达到1.48 ± 0.06 GPa（峰值1.55 GPa），延展性达17.7 ± 0.8%，韧性达131.0 ± 8.7 MJ m⁻³（峰值140 MJ m⁻³），相比纯MXene纤维分别提高了480%、300%和1620%，同时导电率仍保持在10,400 S cm⁻¹以上，体积电容达1645 F cm⁻³。这些性能指标使CS-MXene纤维在拉伸强度与韧性（图1f）、导电率与韧性（图1g）以及比电容与拉伸强度（图1h）等多维性能对比中均处于领先地位。这一分子绳索策略有望推广至其他二维纳米片材料，以最大化其纤维的力学性能。相关论文以“In-plane molecular cord bridging as a method for boosting MXene fiber strength and toughness”为题，发表在Nature Communications上。

仿生设计：从古代板甲到分子尺度

该研究的创新灵感源自古代层状板甲系统的绳索连接结构。在这种历史悠久的防护装备中，坚固而坚韧的绳索不仅实现了有效的冲击能量传递与耗散，其柔顺的绳结还能允许板片适度旋转，从而提升整体柔韧性和韧性。研究团队将这一工程学范式移植到纳米尺度：选取单壁碳纳米管作为“分子绳索”的核心骨架，利用羧甲基纤维素作为包裹层和界面调控单元。碳纳米管具备优异的机械强度、杨氏模量、韧性和导电性，但其疏水性和易团聚特性限制了与亲水性MXene的复合。羧甲基纤维素则发挥双重作用——既可在水相中有效分散和稳定碳纳米管，又能与MXene纳米片的端基形成强界面键合。由此形成的CMC-SWCNTs复合物（简称CS）充当了连接相邻MXene纳米片的分子绳索，其长度约5微米，直径约10纳米，可在面内和层间同时发挥桥接作用。

分子绳索的三重协同强化机制

研究揭示，CS分子绳索在纤维中通过三种协同机制实现增强增韧：首先，羧甲基纤维素的羧基与MXene的Ti-OH端基通过Mg²⁺离子形成强配位键，构建了牢固的应力传递通路；其次，微米级长度的CS绳索能够同时桥接多个面内MXene纳米片，形成类似层状板甲的承力结构，有效抑制裂纹萌生与扩展；第三，MXene/CS界面具有可滑动但坚固的特性，能够耗散能量并实现三维应力传递——既在垂直方向的MXene堆叠层间传递载荷，也在水平方向的相邻纳米片之间分散应力。值得一提的是，仅0.12 wt%的极低CS添加量即可引发力学性能的巨幅提升，这得益于碳纳米管超高长径比和羧甲基纤维素高效界面连接的双重优势。

图1. CS-MXene纤维的设计与制备。 （a）典型MXene纤维中MXene之间面内边缘-边缘相互作用薄弱问题的示意图和（b）结构模型。（c）层状板甲绳索连接原理示意图。（d）CS（CMC-SWCNTs缩写为CS）绳索通过强离子配位结点桥接CS-MXene纤维中面内MXene纳米片的示意图和（e）结构模型。（f）CS-MXene纤维与其他已报道MXene纤维的拉伸强度与韧性Ashby图，（g）CS-MXene纤维与其他已报道碳纳米管和石墨烯基纤维的导电率与韧性Ashby图，以及（h）CS-MXene纤维与其他已报道MXene纤维电极的比电容与拉伸强度对比图。（f）、（g）和（h）中样品编号对应的材料名称、详细数据和参考文献列于补充表1-3。源数据以源数据文件形式提供。

结构表征验证桥接构型

为验证分子绳索的实际桥接构型，研究团队采用高分辨透射电镜和原子力显微镜对CS桥接的MXene纳米片进行了直接观察。显微图像清晰显示，微米级长度的柔性CS分子绳索确实同时连接了多个面内和堆叠的MXene纳米片，证实了分子绳索的桥接构型（图2a-c）。扫描电镜观察液氮脆断截面发现，CS-MXene纤维呈现出有序的层状和微孔结构，且碳纳米管均匀插层在MXene层间，部分拔出区域可见羧甲基纤维素包裹碳纳米管的形貌，甚至可观察到CS绳索横跨MXene纳米片表面形成面内连接的迹象（图2d-f）。X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱进一步证实了Mg²⁺介导的配位键形成——MXene的C-Ti-Tx峰在交联后向高结合能偏移0.78 eV，Ti-OH伸缩振动峰发生红移，羧基特征峰也出现位移（图2g、h），二维红外相关光谱更是在3425 cm⁻¹和1618 cm⁻¹处显示出强自相关峰，表明这些官能团对Mg²⁺配位具有高度敏感性（图2i）。

图2. 结构表征。 （a）显示CS桥接多个MXene纳米片的高分辨透射电镜图像和（b）原子力显微镜图像。（c）（b）中沿蓝线和绿线的CS桥接MXene纳米片高度轮廓。（d）、（e）、（f）CS-MXene纤维液氮脆断截面的扫描电镜图像。（g）CS-MXene纤维在MgSO₄/甲醇浴中交联前后C 1s区域的XPS光谱。（h）纯MXene纤维和CS-MXene纤维在MgSO₄/甲醇浴中交联前后的FT-IR光谱比较。（i）MXene基纤维的二维相关光谱同步谱图，由（h）中对应的一维FT-IR光谱获得。色标表示以任意单位为单位的二维红外信号强度。源数据以源数据文件形式提供。（a）、（b）和（d-f）中的每个实验均独立重复三次，结果相似。

力学性能创纪录提升

在力学性能测试中，仅含0.08 wt% CS的纤维即已实现GPa级强度和超过100 MJ m⁻³的韧性。当CS含量优化至0.12 wt%时，纤维达到最佳性能：拉伸强度1.48 GPa、断裂应变17.7%、韧性131 MJ m⁻³（图3a），相比纯MXene纤维分别提升4.8倍、3.0倍和16.2倍，相比仅含羧甲基纤维素的对照样品也有显著优势（图3b）。这种高韧性和高柔韧性使纤维可被折叠和打结而不发生断裂或开裂，适合编织成电子纺织品。尤为重要的是，该纤维的导电率在0.08 wt%和0.12 wt% CS含量下均保持在10,000 S cm⁻¹以上，峰值达10,400 S cm⁻¹，与纯MXene纤维相当（图3c）。这一性能突破是在温和的溶液加工和约70°C低温热压条件下实现的，完全避开了传统碳纳米纤维所需的1000°C以上超高温处理，为规模化生产开辟了实用化路径。

抗应力松弛与抗疲劳性能卓越

CS-MXene纤维在应力松弛测试中展现出显著优势：纯MXene纤维和C-MXene纤维在0-3%应变下分别经过7200秒和11000秒后仅保持初始应力的55.7%和60.4%，而CS-MXene纤维在25000秒后仍保持超过78%的应力保持率（图3d）；即使在12-15%的高应变下，30000秒后仍能保持63%的应力。在疲劳测试中，纯MXene纤维在174-194 MPa应力范围内仅能承受约4000次循环，C-MXene纤维在480-515 MPa范围内约7000次循环，而CS-MXene纤维在1120-1195 MPa的超高应力范围内可承受超过20000次循环（图3e），充分彰显了CS分子绳索对应力集中的高效分散作用。此外，纤维在12-15%应变下经过50000次拉伸-释放循环后，电阻反而略微下降，表明结构重构或MXene排列优化增强了电荷传输路径（图3f）。

图3. MXene、C-MXene和CS-MXene纤维的力学与电学性能。 （a）纯MXene纤维、C-MXene纤维以及CS含量为0.08、0.12和0.16 wt%的CS-MXene纤维的典型应力-应变曲线。（b）纯MXene、C-MXene和CS-MXene（0.12 wt% CS）纤维的力学与电学性能雷达图。（c）CS含量为0.08、0.12和0.16 wt%的CS-MXene纤维的拉伸强度、韧性和导电率比较。（d）纯MXene、C-MXene和CS-MXene纤维在3%初始应变下的应力松弛曲线。误差棒表示平均值±标准差（n=4次独立实验）。（e）纯MXene纤维（174-194 MPa）、C-MXene纤维（480-515 MPa）和CS-MXene纤维（1120-1195 MPa）在疲劳测试中的拉伸应力-应变曲线。（f）CS-MXene纤维在12-15%应变下50000次拉伸-释放循环中的相对电阻变化。源数据以源数据文件形式提供。

断裂机制揭示增韧奥秘

为深入探究增强增韧机制，研究团队结合分子动力学模拟和断口形貌分析。模拟显示，在CS-MXene纤维中，CS在耗散剪切应变方面发挥关键作用，碳纳米管在大拉伸下主要承受剪切应力，促进了相邻MXene纳米片之间面内和层间的高效载荷传递，从而抑制裂纹萌生与扩展（图4a、b）。相比之下，C-MXene和纯MXene纤维在拉伸变形下剪切应变高度局域化在MXene纳米片上，最终因面内连接薄弱导致片层滑移、分离和裂纹形成。扫描电镜观察拉伸断口发现，纯MXene纤维呈现典型脆性断裂特征（图4c），C-MXene纤维断口出现轻微卷曲迹象表明界面相互作用增强（图4d），而CS-MXene纤维则呈现出截然不同的韧性断裂形貌——断口表面高度粗糙且不规则，MXene纳米片边缘显著弯曲，片层撕裂和CS断裂清晰可见，同时伴有长段CS绳索拔出（图4e-g）。这些微观特征揭示了分子绳索介导的多尺度能量耗散机制，共同成就了CS-MXene纤维卓越的力学性能。

图4. CS-MXene纤维增强增韧机制分析。 （a）C-MXene纤维和CS-MXene纤维在拉伸下的断裂过程结构模型。（b）C-MXene纤维和CS-MXene纤维的MD模拟快照和剪切应变分布。（c）纯MXene纤维、（d）C-MXene纤维和（e-g）CS-MXene纤维拉伸断裂截面的扫描电镜图像。源数据以源数据文件形式提供。（c-g）中的每个实验均独立重复三次，结果相似。

多功能应用展示

研究团队通过一个直观实验展示了CS-MXene纤维的优异机电性能：两根直径约60微米、长度仅3厘米的纤维，不仅悬挂起重达106克（超过纤维自身质量402100倍）的LED灯，承受超过1 GPa的拉伸应力，同时还能以125.7 A cm⁻²的超高电流密度为LED供电照明（图5a）。在电化学性能方面，CS-MXene纤维在5 mV s⁻¹扫速下体积电容达1645 F cm⁻³（图5b），即使在300 mV s⁻¹高扫速下仍保持45%容量（图5c），在20 A cm⁻³电流密度下循环10000次后电容保持率高达92%（图5d），超越了大多数已报道的MXene基纤维电极。

图5. CS-MXene纤维的多功能性能。 （a）两根CS-MXene纤维悬挂并点亮106 g LED灯。（b）纯MXene纤维和CS-MXene纤维在1.0 M H₂SO₄电解液中、三电极体系下、5 mV s⁻¹扫速的循环伏安曲线。（c）纯MXene纤维和CS-MXene纤维在不同扫速下的体积容量。（d）CS-MXene纤维在20 A cm⁻³下10000次循环的稳定性，插图为纤维电极在特定充放电循环次数的恒流充放电曲线。源数据以源数据文件形式提供。

总结与展望

该研究成功克服了MXene力学潜能开发中长期存在的关键挑战，突破了传统方法仅聚焦于界面增强或取向调控的局限，创新性地引入分子绳索策略，通过CS在MXene纳米片之间建立强健的面内和层间交联桥梁。这一设计实现了高效的三维应力传递——既跨越MXene层间垂直传递，也沿基面水平传递，将CS分子绳索转化为动态应变再分配和能量耗散组件，在载荷作用下有效抑制裂纹萌生与扩展。所制备的湿纺CS-MXene纤维集超高强度、高韧性和高导电性于一身，在可穿戴电子产品、结构复合材料和储能器件等先进应用领域展现出巨大潜力。该分子绳索桥接机制作为一种通用且可扩展的平台，有望推动各类二维纳米材料向高性能多功能纤维材料的转变。