IF: 87.2，中科大杰青团队，三个人发一篇Nature系列综述！

米测MeLab

2026-05-06

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

2011年首次报道以来，2D过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）因其金属级的导电性、卓越的机械性能和丰富的表面末端基团而备受关注。MXene在航空航天、能源存储和生物医学等领域具有广阔的应用潜力。然而，如何将单层MXene纳米片的优异内在特性有效转化为宏观纳米复合材料，仍然是目前材料科学领域面临的重大挑战。

综述概述

有鉴于此，中国科学技术大学程群峰团队通过本综述系统地阐明了通过仿生受限组装策略开发高性能MXene纳米复合材料的过程。讨论了MXene纳米片湿化学组装过程中形成的空隙的高级表征，并阐明了其形成的内在机制。在此基础上，介绍了减少孔隙率并增强层间负载传递效率的仿生受限组装策略，这显著提高了MXene纳米复合材料的宏观机械和电学性能。进一步概述了仿生受限MXene纳米复合材料的大规模制备方法。讨论了MXene纳米复合材料的性能和一些代表性应用，包括电磁干扰屏蔽、骨再生和人工肌肉。最后，为仿生受限MXene纳米复合材料的未来研究方向提供了见解。

具体内容

MXene的合成和性质

MXene是一类具有通式M_n+1X_nT_x的2D纳米材料，其中M是早期过渡金属，X是碳或氮，T_x代表表面末端。合成策略主要分为自上而下的蚀刻法（如从MAX相中蚀刻）和自下而上的化学气相沉积（CVD）法。目前有超过30种化学计量的MXene被合成，其中Ti3C2Tx研究最为广泛，占所有出版物的70%以上。合成过程中，层间A层元素的去除动力学受金属键强度和原子层数的影响，例如Nb-基MAX相的蚀刻比Ti-基慢得多。MILD方法利用LiF/HCl原位产生HF，能获得尺寸更大、缺陷更少且具有高亲水性的纳米片，非常适合后续的仿生组装。MXene展现出优异的内在性能，单层Ti₃C₂T_x的拉伸强度高达17.3 GPa，杨氏模量为0.33 TPa，且具有高达20,150 S/cm的本征电导率。此外，表面的-F、-O和-OH等官能团不仅调节其电子结构，还赋予了其良好的水加工性和化学改性潜力。

图  高性能MXene纳米复合材料的仿生约束组装策略

生物激发的MXene纳米复合材料

自然界经过亿万年的进化，通过仿生砖泥结构（如珍珠层）实现了高强度和高韧性的统一。珍珠层通过有机物模板控制无机碳酸钙的成核，形成致密的微纳层状结构，其断裂功比单体高出3000倍。受此启发，MXene被视为构建此类高性能复合材料的理想单元。研究发现，珍珠层的强化机制包括矿物桥接、纳米凸起产生的非弹性剪切以及有机层的粘弹性胶合。然而，传统的湿化学组装MXene复合材料在干燥阶段会产生毛细收缩，导致纳米片皱缩、折叠和对齐度下降，从而产生严重的空隙缺陷。先进的表征技术如FIB-SEMT和Nano-CT证实了这些空隙的存在，其体积分数可达5.4%左右。为了弥合宏观材料与单层纳米片之间的性能鸿沟，必须深入理解纳米尺度的受限机制和分子尺度的协同相互作用。

图  MXene纳米复合材料的组装和空隙缺陷的形成

生物启发的受限组装策略

针对空隙问题，研究者开发了三类递进策略：协同界面相互作用、纳米填充和受限组装。协同界面相互作用通过引入两种或多种不同强度的结合力（如氢键、离子键、共价键等）来增强负载传递。例如，在Ti₃C₂T_x膜中结合氢键和离子键，可使强度和韧性分别提高1.8倍和1.5倍。纳米填充策略则主动利用0D纳米颗粒（如液态金属）、1D纳米线（如CNT）或2D纳米片填充空隙，构建连锁结构，提高有效负载体积比。最高级的受限组装策略则致力于从源头抑制空隙形成，通过施加外部应变场（如拉伸诱导取向）或利用层间受限水分子引导组装。利用纳米受限水诱导组装的 π BMG薄膜孔隙率仅为3.87%，拉伸强度达到1.87 GPa。这些策略体现了从“事后修补”到“过程主动控制”的思想演变。

图  MXene纳米复合材料的协同界面相互作用和纳米填充策略

图  二维纳米复合材料的受限组装机制

大规模制造策略

为了实现商业化，必须开发超越实验室规模（如真空过滤）的连续制备技术。热拉伸策略成功应用于高性能MXene复合纤维的生产。该方法将MXene纳米片组装成初生纤维后，在外部张力和聚合物套管径向收缩应力的共同作用下进行热拉伸，这种多维应力场能有效消除皱缩和空隙。利用此技术已制备出数百米长的MXene复合纤维，强度超过700 MPa，并能直接在工业织机上编织。对于薄膜材料，卷对卷刮涂技术实现了大规模连续制造。在刮涂过程中，通过分步引入氢键和离子交联，结合重润湿过程中的受限组装，可以制备出米级长度、宽度达25 cm的S-SBM复合薄膜。这种连续化工艺不仅保持了纳米片的高定向度（取向因子0.887），还将孔隙率降低至4.26%，为MXene材料在航空航天和智能柔性设备中的应用奠定了实用化基础。

图  MXene纳米复合材料的大规模制造

功能性MXene纳米复合材料

仿生受限MXene纳米复合材料在多个前沿领域展现出卓越的功能特性。在热管理方面，高度对齐的纳米片提供了连续的声子传输通道，使其面内热导率超过40 W/mK，并具备高效的光热和电热转换能力。其低红外发射率（~0.19）使其在红外热伪装领域极具竞争力。在电磁屏蔽领域，致密的层状结构和高导电性通过反射和多次内部吸收提供了极高的屏蔽效能（SSE/t达23,600 dB mm²/g），远超铜箔。在生物医学领域，受限组装的S-SBM薄膜具有优异的抗氧化性和机械强度，能有效清除活性氧、调节巨噬细胞极化，其骨再生效率高达77.4%。此外，具有特定内部孔隙结构的MXene-CNF人工肌肉纤维，在光/电热驱动下展现出21.0%的大拉伸冲程和优异的疲劳抗性，其做功能力是骨骼肌的45倍。

图  电磁干扰屏蔽和骨再生应用

图  MXene人造肌肉

总结与展望

本文综述了仿生受限MXene纳米复合材料的最新进展，指出消除纳米级空隙和增强层间负载传递是提升宏观性能的关键。通过仿生设计和大规模制备策略，MXene材料已在力学、电学及生物医学等领域展现出跨代优势。未来，高效剥离大尺寸纳米片、引入AI辅助的多尺度设计以及开发智能化功能孔隙将是实现MXene复合材料商业化应用的重要突破方向。

参考文献：

Li, Y., Zhang, X. & Cheng, Q. Large-scale, mechanically robust bioinspired confined MXene nanocomposites. Nat Rev Mater (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41578-026-00918-2