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碳化鈦MXene薄片具有優異的機械性能和導電性，以及良好的光熱轉換、生物相容性和骨誘導性，在航空航天、柔性電子器件和生物醫學等領域具有廣闊的應用前景。

以可擴展的方式將MXene薄片組裝成宏觀高性能材料是非常理想的，但也是非常具有挑戰性的。

在此，來自北京大學的鄧旭亮和北京航空航天大學的程群峰等研究者展示了一種可擴展的策略，通過集成順序橋接的滾對滾輔助葉片涂層（RBC）來制備高性能MXene薄膜，在近紅外照射下提供良好的光熱轉換和成骨效率。相關論文以題為“Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis”于2024年10月30日發表在Nature上。

鈦碳化物（Ti?C?T?）MXene材料具有多種功能特性，包括優異的機械性能、電性能，以及良好的光熱轉換、生物相容性和成骨誘導性。

目前，MXene在航天、柔性電子、太赫茲吸收、儲能設備及生物醫學等諸多領域的應用前景備受關注。如何將納米級片狀的MXene制備成高性能的宏觀形態，是實現這些商業應用的關鍵。刮涂、滴涂和狹縫涂覆等方法已被證明可以大規模地將MXene片材組裝成對齊的宏觀薄膜。

然而，由于層間相互作用較弱以及存在孔隙，這些大面積MXene薄膜的機械性能、電導率和環境穩定性受到影響，極大地限制了其實用性。

為提高MXene薄膜的性能，研究者進行了多方面的嘗試，通過增強層間相互作用并消除孔隙來改善薄膜性能?？梢酝ㄟ^化學交聯（如氫鍵、離子鍵和共價鍵）來提升MXene層間的連接性。

例如，插入聚乙烯醇通過氫鍵增強薄膜的抗拉強度；相鄰的MXene片層通過離子鍵結合以強化薄膜；通過共價鍵構建了強度高且穩定的MXene-聚多巴胺薄膜。共價鍵和氫鍵的結合還可產生協同效應，從而顯著提高MXene薄膜的抗拉強度和韌性。

此外，小片狀MXene和離子的插層可以使薄膜更致密，提升其抗拉強度和導電性。盡管在MXene薄膜的高性能組裝方面取得了一些進展，但當前薄膜的實際性能仍顯著低于單層MXene片材，這部分是由于干燥過程中毛細收縮導致的MXene片層錯位所致。

此外，這些組裝方法通常仍處于實驗室研究水平，難以大規模生產MXene薄膜，從而限制了其商業應用。因此，實現高性能MXene薄膜的可規?；苽湟廊皇且粋€亟待解決的挑戰。

在此，研究者報告了高性能MXene薄膜的可擴展制造，通過結合卷對卷輔助葉片涂層（RBC）工藝和順序橋接工藝。

MXene薄片首先通過氫鍵與絲膠（SS）橋接，然后使用RBC工藝以20 cm min^–¹的速度連續組裝成宏觀薄膜，然后與鋅離子（Zn²⁺）橋接以凍結濕膜的排列。

制備的MXene薄膜具有高度排列和致密的特性，具有較高的抗拉強度（755 MPa）、韌性（17.4 MJ m^?3）和電磁干擾屏蔽能力（78,000 dB cm²?g^?1），以及良好的環境穩定性、光熱轉換和骨再生性能。

獲得的可擴展順序橋接MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和緊湊的微觀結構，層間相互作用強。因此，它們具有較高的機械和電氣性能，以及良好的環境穩定性，光熱轉換和成骨能力。

圖1 S-SBM薄膜的制備工藝、結構模型及性能。

圖2 S-MXene和S-SBM薄膜的結構表征和力學性能。

圖3 S-MXene和S-SBM薄膜的氧化穩定性和光熱轉換性能。

圖4 S-MXene和S-SBM膜的生物相容性和骨再生。

圖5 S-MXene和S-SBM膜對巨噬細胞的抗炎和免疫調節作用及其對BMSCs的體外成骨作用。

綜上所述，研究者展示了一種可擴展的策略，通過連續的RBC結合氫鍵和離子鍵的順序橋接來制造高度排列和緊湊的MXene薄膜，并具有強的層間相互作用。

制備的MXene薄膜具有較高的拉伸強度、韌性、導電性、電磁干擾屏蔽能力、抗氧化、應力弛豫和循環機械變形能力，在近紅外照射下具有良好的光熱轉換和成骨效率，在航空航天、柔性可穿戴設備和臨床骨修復等領域具有廣泛的實際應用潛力。

這一策略為其他二維薄片大規模組裝成宏觀高性能材料開辟了道路。

PS：據悉，這已經是北京航空航天大學在2024年內發表的第4篇Nature，前三篇的時間依次如下：

北京航空航天大學今年的發CNS勢頭，不可謂不強?。?/span>

參考文獻

Wan, S., Chen, Y., Huang, C.et al.?Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis.?Nature?634, 1103–1110 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08067-8

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8

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