化学家们使一个热门二维材料——MXenes家族成员数量翻了一番，甚至创纪录地将9种金属嵌进单一材料中。这为设计大量奇怪但有用的物质打开了大门。相关研究近日发表于《科学》。

MXenes家族此前就备受关注，它们具有高导电性，有朝一日可应用于下一代电池和防电磁干扰的涂层。此外，这种材料可以分散于水中，因此能被喷涂到物体表面。

2011年，美国德雷塞尔大学纳米材料学家Yury Gogotsi团队合成了有史以来第一种MXene——一种二维碳化钛片。与标志性的二维材料石墨烯不同，MXenes包含多层金属以及碳或氮原子，例如碳化钛就是两层钛原子夹着一层碳。

但科学家们无法严格控制添加更多金属后，哪些金属最终进入哪些层。研究论文合著者、普渡大学材料工程师Babak Anasori说，由于原子的特性，某些金属“喜欢”待在特定层中，比如一些总是跑到内层，而其他金属则被拉到外层，因此，科学家们无法制造出内层或外层含有某些特定金属的MXenes。例如，钼喜欢放在在外层，而钛喜欢被包裹，还有钨、锆等一些金属难以掺入。因为材料倾向于原子结构，以最大限度地减少产生它所需的能量或焓。

直到2021年，Anasori团队成功制备出含4种金属的MXenes。这让他们开始思考能否突破极限，掺入超过4种元素。合成含更多金属的MXenes的一大障碍是无法确认复杂层状材料的结构，也无法验证各种金属所处位置。2021年，Anasori团队制备出含4种金属的MXenes时就表示，“无法在原子精度说出做了什么”。因此，之后，Anasori、Gogotsi等人与波兰卢卡西威茨科研网络计划的离子质谱专家Pawel Michalowski合作，通过从MXenes逐层去除原子，验证材料的组成。

当研究人员用4到6种金属制造MXenes时，他们观察到了与以前类似的排序。例如，大部分钼存在于外层，尽管在内层可以发现微量钼。然而，当团队将掺入的金属增加到7种或更多时，金属没有按照通常的情况分层，而是均匀结合到每一层中，包括钨在内的此前难以掺入的金属也能丝滑融入。这是一个令人兴奋的发展，因为二维材料中的钨可能被用作制造氢燃料的催化剂。

Anasori解释说，熵与焓在驱动有序-无序转变中存在竞争机制，一旦MXenes中有7种或更多的金属时，系统中的熵似乎会“战胜”焓，使有序转变为无序，因此更容易掺入其他成分。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv4415