Yury Gogotsi, Ph.D.
MXenes 被吹捧为二维纳米材料和材料科学的下一次飞跃式发展，具有数不胜数的优势，如大功率的能量储存（想想汽车电池在几分钟内充电），金属导电性，可穿戴技术所需的灵活性和透明度。
Yury Gogotsi 博士是 MXenes（读音为“maxines”）的发明人之一，他是材料科学与工程和纳米技术领域的专家，也是德雷塞尔大学工程学院的杰出大学教授。
作为二维材料，石墨烯是碳原子的单原子层 [1]，机械强度和导热性等物理性质极高，因而能被用于能量储存、保护涂层、传感器和电子产品 [2]。在投资数十亿美元后，各大公司也开始为石墨烯寻找实际应用。
然而除石墨烯外，还有许多其他二维纳米材料，这其中就有氮化硼，具有像石墨烯一样的铁丝网六边形原子网络，但是碳原子和氮原子相互交替，氮化硼、二硫化钼和其他一些二维材料多年来一直被用作润滑剂，推动着电子、通信、催化和储能领域的发展。
MXenes的典型结构，其中红色球体表示金属原子，黑色小球体表示碳原子(图片来源:Armin VahidMohammadi博士)。
MXenes 是纳米级的二维过渡金属碳化物和氮化物，碳原子或氮原子夹于金属层之间。金属导电性和亲水性赋予MXenes 独特的结合性能。MXenes 被认为是最薄的水溶性金属片或导电粘土。MXenes 可以用作构造块，与其他二维薄片相结合，用于构建具有期望属性和计算机编程属性的任何类型结构。它们可以增强聚合物的强度和导电性，并且由于具有亲水性，可以制成水基涂料或染料。
已报道发现大约 50 种由金属、碳、氮原子以及氧或卤素等表面功能基构成的不同 MXenes 组合，预测有 100 多种单一成分。然而，由于人们可以用许多不同的方式排列和混合原子，在这个体系内几乎可以制造出无限种材料，每种材料都具有独有特性，这为材料领域开启了新视野。
在所有的纳米材料中，在微妙的层中的限制不允许电磁波、光、电子或声子（晶格中的振动）以法线方向向表面传播。这产生了有趣的效果。普通材料只是得到不同的和非常有用的特性。
Gogotsi 表示：“未来，我们只需要结合这些具有各种特性的二维薄片来更好地了解如何装配设备和人造材料。
Gogotsi 最初的计划不是制造新的二维碳化物，“我们从尝试制造锂离子电池阳极材料开始”，他说道。“我们最终研制了完整的二维材料家族，有时候研究就是这样取得进展的”。
这个过程从基础研究开始，经常会发生很多令人失望的情况，但只要坚持不懈，最终会取得成功。“我们的工作从基础科学着手，涵盖从基础科学发现到实际应用，” Gogotsi 说道。“有时候我们会遭遇失败，在许多情况下，我们遭遇失败是因为我们所做得事情是前人没有做过的，那么遭遇失败也是在所难免的，但有时我们确实取得了成功，接着就是迎来重大突破”。
这些发现包括新材料，研究人员确定新材料的特性，并掌握如何在纳米层面上控制材料，以实现对其进行特性控制，然后通过开发各种应用确定上述特性和材料能发挥多大作用。
例如，新的碳形态材料有若干有趣的发现，比如开发一种制造多孔碳化物衍生碳的方法，用于电化学储能超级电容器，科学家们利用上述材料在包括电化学电容器在内的多个领域取得了进展。
MXenes 最早是在 2011 年发表的一篇论文中确立的，但是 Gogotsi 表示，那时候时机不佳，因为石墨烯在同时期获得了科学界的广泛关注。所以研究人员最初忽略了 Mxenes，但是，当 Gogotsi 和其他研究人员开始研制越来越多不同的 Mxenes，并 Mxenes 在许多领域显示出优于许多其他材料的性能时，人们的关注度大幅上升。
但是 MXenes 和其他二维材料的开发改变了科学理念。
“我们回顾一下石器时代，” Gogotsi 说道，“古人类是怎么做的？古人类取一块石头、一根骨头或一块木头，然后将其切割成所需工具，就像是用刀一样，这就是人类最初制作工具，获取工具、切割成形的方式。”
然后人类先后进入青铜时代和铁器时代。人类学会了如何熔化材料和制造金属，接着将金属切割成所需材料。聚合物和塑料也同样如此，人类生产大量的塑料或聚合物，然后将其制成各种形状。
但是，材料的数量有限，制造零件时，总会损耗大量材料。在新时代，我们已经不再通过切割或削除材料来制造零部件或设备，而是采用纳米薄度的二维片材进行组装来制造。
“世界正在步入新时代，我们使用纳米薄度、埃薄度构造块、二维材料和一维纳米管，比如纳米线、量子点等，这就可以开始组装，”他说，“因此，现已摈弃了采用大块材料进行切割的方法，比如硅技术中的蚀刻工艺，而是将纳米片和纳米粒子结合起来，所生成的材料具备自然界不存在的特性。”
它真的把我们带到了一个新时代，我们可以用原子级薄度的构造块、二维材料、一维纳米管和纳米线、量子点来构建材料，科学家们可以开始用新方式组装。
如今，随着可穿戴电子产品、可打印电子产品和物联网的发展，二维材料具有举足轻重的作用。获得耐磨、柔韧、可打印和透明的物质离不开极薄的材料层，人们需要可以放入喷墨打印机中的材料，或像朝墙上喷漆一样进行喷涂的溶液，从而制造出所需器件。这正是所有纳米材料具备的能力。
这是真正的下一代技术，已经大量应用于导电染料、各种智能标签和手机屏的薄膜涂层。
纳米材料已开始进入所有人类活动领域。手机之所以尺寸小巧，是因为内含纳米材料制成的零部件，机内藏有碳纳米管，其中包含纳米粒子，包含纳米材料的薄膜电子器件有多种类型。
你的毛衣是由纤维构成的，这些纤维具有天然的纳米级成分，由人类制造或由自然界制造并由人类修改。
MXenes 拥有更广阔的应用前景。例如，随着人类进入 5G 通信时代，到处都需要架设天线，传统上，天线是由铜箔制成的，厚度为 10 或 20 微米。但是，我们不能用目前的材料打印铜箔，然而，Mxenes 可以与水混合制成墨水，然后用于打印天线，打印天线拥有几乎与铜天线一样的性能，但厚度和重量上大致少 10 倍。
如上所述，MXenes 保留了灵活性、强度和导电性，并在通信应用中具备其他优势。
碳化钒 MXene 薄膜和二维薄片胶体溶液（图片来源：Kathleen Maleski 博士）。
从通信、储能再到医学，MXenes 能够改变人们的生活方式。它们已在各领域得到开创性应用：从激光、医用电极、脑电极，到电子设备、光电设备、传感器；再到可生产和储备电能的太阳能透明窗。
试想一下，手机在一分钟内就能完成充电，或者特拉斯汽车不用整晚插在电源上充电。我们努力研发可以储存大量能量又可以快速充电的电池，具有导电特性的 MXenes 与目前使用的电池材料不同，无固态扩散，可能帮助我们实现这一目标。
例如，在生物医学应用中，已经发现 MXenes 可以吸收尿素，Gogotsi 正与肾病学家合作开发透析材料，未来，科学家们可能会使用 MXenes 为依赖透析的人士制造可穿戴的人工肾。
“这确实是崭新的材料领域，” Gogotsi 说道。“这就是为什么我们认为它真正具有革命性，我们现在谈论的不是一种改变或改善某项应用的材料。我们现在谈论的是一种用于材料制造和将材料组装成设备的新方法，之前无法制造的事物借助此方法都能制造出来。”
然而，首批 MXene 产品的商品化可能还需要四、五年的时间，现在很多公司都在探索各项应用。
“过去从发现材料到技术应用需要 15 到 25 年的时间，” Gogotsi 说道。“现在这一周期已经缩短，但仍需要几年时间，需要记住的是，石墨烯的开发和应用已投入数十亿美元，自 2010 年发现石墨烯获得诺贝尔奖以来，欧洲石墨烯旗舰项目每年吸引 1 亿美元的投资，其他地区也获得大量投资。在这一点上，MXenes 确实是相形见绌。”
但是对 MXenes 的研究正在加速。“最近一次查阅信息，我发现世界各地正在开展研究，”他说道。“这意味着什么？我们即将迎来突破，商业应用也在推行中。”
原子级薄度新材料无法用肉眼观察 — 需要借助工具表征。也就是说，若未掌握这种材料的结构，将无法真正地将其付诸于应用，也无法利用其纳米级特征、二维限制和相关特性。
“光学光谱技术在很大程度上是表征材料最快、实际上也是最便宜的方法，尤其是拉曼光谱，” Gogotsi 说道，“拉曼光谱已成为二维材料表征领域的主要技术。”
例如，X 光衍射曾是获取块材光谱的主要工具。时至今日，若要获取碳纳米材料的光谱，如纳米管和石墨烯等，研究人员已经采用拉曼光谱，可从特定位置的单个粒子中获取光谱。“如果计算石墨烯薄片的层数或确定碳纳米管的直径，需要使用到拉曼光谱而非显微镜，所以，这正是光谱绝对能成为纳米材料工具的领域。”
“可以在几秒钟或更短的时间内得到光谱，” Gogotsi 说道。“可以在实验室做研究，也可以通过光纤探头实现产线质量控制，光谱真正成为首个表征工具，可以使用拉曼光谱了解材料的质量，可以运用光谱学检查材料的降解情况，也可以使用拉曼光谱查看粒子的构成情况。”
拉曼光谱为纳米材料的化学和结构赋予了有用的区别性特征。Gogotsi 的博士生 Asia Sarycheva 创建了 MXenes 拉曼光谱库，因此，为进行质量控制，可以查看材料的拉曼光谱，并判断是否符合预期。其次，如希望了解材料的质量水平或者薄片上的单层数量，可以查看光谱，比如说有更高的波峰。
“我们可以在显微镜下对基板上的单个薄片进行表征，”他说道。“我们可以对薄膜进行表征，获得整个薄膜的平均值或对表面进行成像，但我们也可以用胶体溶液中的拉曼光谱薄片进行研究，因为我们通常从溶液处理着手，这个工具确实具有多种用途。”
拉曼光谱可用于表征MXenes在其制造和使用的每个阶段(图片来源:Asia Sarycheva;材料化学，32,3480-3488,2020)
2008 年 Gogotsi 和同事发表了一篇关于电化学电容器材料的论文，据他说，这是 21 世纪仅次于石墨烯的第二大被引用最多的材料科学论文。现在，他的新发现有望赶上或超过这一记录，因为 MXenes 在全球范围内引发广泛关注。
随着对 MXenes 特性和应用的研究加速，我们越来越接近于利用上述独特材料的潜力。尽管可能要到 21 世纪 20 年代中期才能真正释放这一潜力，但无数的研究表明，从能源到电子、医学等领域的技术进步正在引发一场革命，首先是柔性和可穿戴技术。
[1] D’Angelo, M., Matsuda, I. Monatomic Two-Dimensional Layers, Chapter 1 - Basics and Families of Monatomic Layers: Single-Layer 2D Materials, 2019, Pages 3-22.
[2] Graphene-info, 2020.
[3] 'Havana syndrome' likely caused by directed microwaves - US report. BBC. Dec. 6, 2020.
[4] Shahzad, F, Alhabeb, M.,Hatter, C, Anasor, B, Hong, S.M., Koo, C.M., Gogotsi, Y. Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes). Science. Sept. 9, 2016. Vol. 353, Issue 6304, pp. 1137-1140.
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