通过 [2] 轮烷增强 MXene 薄膜性能，助力可拉伸电子器件发展

时间：2025年3月9日

来源：SCIENCE ADVANCES

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为解决 MXene 薄膜机械性能受限问题，研究人员用 [2] 轮烷增强其性能，制备出高性能 RBM 薄膜及 ACEL 器件。

一、研究背景

在材料科学的奇妙世界里，二维材料一直是科研人员关注的焦点。自 2011 年发现以来，碳化钛（Ti₃C₂T_X）MXene 凭借其出色的导电性和机械性能，在柔性电子、超级电容器、电池、传感器和电磁干扰屏蔽等众多领域展现出巨大的潜力，就像一颗闪耀的新星，吸引着人们不断探索。

然而，这颗新星也存在着一些 “瑕疵”。将 MXene 薄片转化为高性能的宏观薄膜面临诸多挑战。由于其固有的脆性和缺乏延展性，再加上层间相互作用较弱，导致 MXene 薄膜的机械性能大打折扣。在追求材料高拉伸性和稳定导电性的道路上，MXene 薄膜遇到了 “拦路虎”，这严重阻碍了柔性和可拉伸电子领域的发展。就好比在建造一座通往未来科技的桥梁时，MXene 薄膜这一关键材料却出现了质量问题，使得桥梁的建设陷入困境。

为了攻克这些难题，科研人员一直在努力寻找解决方案。他们尝试通过增强 MXene 薄片之间的层间相互作用来提升薄膜性能，如利用氢键、离子键和共价键等，但这些方法在提高拉伸强度的同时，实现显著的伸长率仍很困难，尤其是在添加剂含量限制在 5%（重量）以内时。因此，寻找一种更有效的方法来增强 MXene 薄膜的性能，成为了材料科学领域亟待解决的问题。

在这样的背景下，来自多个研究机构的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们将目光投向了机械互锁分子 ——[2] 轮烷（[2] rotaxane），试图借助其独特的分子结构和运动特性，为 MXene 薄膜性能的提升带来新的突破。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为可拉伸电子器件的发展开辟了新的道路。

二、研究方法

研究人员为开展这项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：

材料合成技术：通过特定的方法合成了具有末端 - OH 基团的 [2] 轮烷，并利用 N，N'- 羰基二咪唑（CDI）将其与 MXene 进行共价连接，制备出 [2] 轮烷桥接的 MXene（RBM）薄膜。同时，制备了七乙二醇桥接的 MXene（HBM）薄膜作为对照。
结构表征技术：运用多种手段对材料的结构进行表征，如氢核磁共振（¹H NMR）光谱、高分辨率质谱、X 射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、热重分析（TGA）和 X 射线光电子能谱（XPS）等，以确定材料的结构和组成。
性能测试技术：对制备的薄膜进行机械性能测试，包括拉伸强度、最大应变和韧性等指标的测定；还测试了薄膜的电导率以及在拉伸过程中的电阻变化，并将 RBM 薄膜应用于可拉伸交流电致发光（ACEL）器件，测试其发光性能。

三、研究结果

[2] 轮烷的合成与结构表征：研究人员成功合成了 [2] 轮烷，并通过¹H NMR 光谱和高分辨率质谱对其结构进行了确认。¹H NMR 光谱显示，与 [2] 轮烷 - OH 相比，[2] 轮烷 - CDI 出现了源自羰基咪唑单元的新信号，且部分氢原子的化学位移发生了变化，这表明 CDI 成功与 [2] 轮烷反应。
宏观薄膜的设计与结构表征：通过蚀刻 Ti₃AlC₂制备出 MXene，XRD 光谱验证了制备的成功，AFM 测量得到 MXene 薄片的厚度约为 2.2nm。RBM 薄膜呈现出层状形态，通过多种表征手段证实了 [2] 轮烷成功共价交联到 MXene 薄膜中。例如，XRD 结果显示 RBM 薄膜的特征峰位置和层间距发生了变化，FTIR 光谱中出现了碳酸酯键的特征峰，XPS 分析也表明了 [2] 轮烷与 MXene 之间形成了共价键。
宏观薄膜的机械性能：纯 MXene 薄膜由于层间相互作用弱，机械性能有限，拉伸强度为 19.0±0.18MPa，最大应变 4.6±0.26%，韧性 0.6±0.06MJ/m³。而 RBM 薄膜仅添加 3.6%（重量）的 [2] 轮烷，拉伸强度就达到 120.7±3.3MPa，最大应变 20.0±0.4%，韧性 11.9±0.2MJ/m³，分别是纯 MXene 薄膜的 6.4 倍、4.3 倍和 19.8 倍。RBM 薄膜的最大应变和韧性在添加量不超过 5%（重量）的 MXene 薄膜中达到了创纪录的高度。此外，循环拉伸测试表明 RBM 薄膜具有良好的拉伸性，SEM 观察发现 RBM 薄膜拉伸断裂后的层状结构最为致密。
RBM 薄膜作为 ACEL 器件可拉伸电极的应用：RBM 薄膜的电导率从纯 MXene 薄膜的 138.5S/cm 提高到 198.4S/cm，在拉伸过程中，其电阻变化呈现出先降低后升高的趋势。在 0 - 15% 应变范围内进行 500 次循环拉伸测试，RBM 薄膜的电阻变化稳定且可逆。将 RBM 薄膜应用于 ACEL 器件，该器件在拉伸至 20% 应变时仍能保持均匀发光，亮度变化与应变有关。同时，基于 RBM 薄膜的机械稳定性和导电性，ACEL 器件可进行图案化设计，如制作成 “SJTU” 字母、花朵、树木等形状。

四、研究结论与意义

这项研究成功制备了基于 RBM 薄膜电极的可拉伸且可图案化的 ACEL 器件。[2] 轮烷的引入显著增强了 MXene 薄膜的机械性能，RBM 薄膜在仅含 3.6%（重量）[2] 轮烷的情况下，实现了 20.0% 的最大应变和 11.9MJ/m³的高韧性，达到了添加量不超过 5wt% 添加剂时的最高水平。而且，RBM 薄膜在 0 - 15% 应变范围内循环拉伸 500 次时，电阻变化一致且可逆。得益于其机械稳定性和稳定的导电性，RBM 薄膜为可拉伸 ACEL 器件的制备提供了可能，这些器件可定制各种图案。

该研究不仅为组装高性能二维材料薄膜提供了一种可行且有效的方法，还为可拉伸电子器件的应用开辟了新的可能性，在未来的电子设备、可穿戴设备等领域具有巨大的应用潜力，有望推动相关领域的技术进步和产业发展。就像为未来科技的桥梁找到了更加坚固耐用的材料，让这座桥梁更加稳固地通往未来。