MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片，随着材料厚度的增加保持离子扩散。图片来源：美国德雷塞尔大学

它用于实验成果非凡，但它真的有实际用处吗?工程研究人员不断提出有价值的问题。在德雷塞尔大学(Drexel university)开发以及研究中，对于这种被誉为能源存储未来的分层纳米材料，目前，答案是肯定的。

很长一段时间以来，研究人员一直致力于使用原子级厚度的二维纳米材料来实现制造可以快速充电，拥有更持久电池寿命以及超大电容器的组件 但是现有技术的问题在于当材料层的厚度增加到约100微米时(大致为人类头发的宽度，这是能量存储设备的行业标准)，材料将失去其功能。

美国德雷塞尔大学和宾夕法尼亚大学最近发表的研究表明，可以通过一种操纵二维材料的新技术，将它们制作成具有实际厚度的薄膜，并保持其特性，作为超级电容器电极使用。

该研究发表在“自然”杂志上，重点介绍了MXene薄片的自组装，如何使用类似于手机和电视机的液晶显示器的柔性材料。 MXenes是2011年德雷塞尔大学发现的一类纳米材料，特别适合储存能源。

“我们的方法依赖于柔性材料以及功能二维纳米材料的组装，” 该研究的合著者兼美国德雷塞尔大学工程学院(Drexel College of Engineering)的著名大学教授Yury Gogotsi博士说，“生产的新型电极薄膜可以快速传输离子，出色的处理速率以及相当于甚至优于商用碳电极电荷储存。”

开放通道

根据合作者兼美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员Yu Xia博士介绍，保持电荷存储材料的能量密度(设备可存储能量)以及功率密度(设备充电速度)的挑战在于随着材料放大到更大尺寸时而需要保持离子移动的通道。

该团队的方法通过垂直支撑电极中的MXene薄片来抑制离子扩散，避免这种堆叠问题。在微观层面上，在微观层面上，它可能看起来像在橡皮泥上竖起牙签。 除了使它们垂直对齐之外，还可以通过移动柔性材料底座来调整其方向。

该团队将柔性材料与硬质材料融合在一起，为MXene未来作为储能材料带来了希望。

“柔性材料自组装”是一种材料内部的分子按研究人员要求排列成可以操纵的方向的过程，自20世纪70年代以来就一直存在，如今是电视，手机和笔记本电脑显示器的推动力量，硬质材料是其中一项重大突破。

虽然有几个研究小组已经能够利用自上而下的过程来设计材料，使其能够垂直对齐，但是这些方式很难在工业应用中得到扩展。

“有很多关于液晶显示器的基础知识，”杨说。 “人们认为这是一种古老的技术，然而我们不断重新发现，这种知识实际上非常有用并适用于新功能材料。”

尽管研究人员承认在将该方法应用于现实世界的设备之前，还有其他挑战需要克服，但他们相信该项研究为该领域带来了令人兴奋的飞跃。 而长期目标是将该方法应用于超级电容器以及电池电极，为手机，电动汽车提供动力，还可以用于研究可再生能源技术。

“这是柔性材料自组装与纳米材料之间的完美结合，” Xia说，“我们正在发现这些崭新的二维材料世界，这些材料可用于实际的工业应用，而且符合行业标准，能够制造出真正的半岛bd体育手机客户端 。经过10多年的二维材料研究，我们已经找到了一种方法并突破了实现应用的最大障碍。实际上，创建一个系统是将这些材料推向市场行业最合理的途径之一。”