碳化钛MXene薄片具有优异的机械性能和导电性，以及良好的光热转换、生物相容性和骨诱导性，在航空航天、柔性电子器件和生物医学等领域具有广阔的应用前景。

以可扩展的方式将MXene薄片组装成宏观高性能材料是非常理想的，但也是非常具有挑战性的。

在此，来自北京大学的邓旭亮和北京航空航天大学的程群峰等研究者展示了一种可扩展的策略，通过集成顺序桥接的滚对滚辅助叶片涂层（RBC）来制备高性能MXene薄膜，在近红外照射下提供良好的光热转换和成骨效率。相关论文以题为“Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis”于2024年10月30日发表在Nature上。 钛碳化物（Ti₃C₂Tₓ）MXene材料具有多种功能特性，包括优异的机械性能、电性能，以及良好的光热转换、生物相容性和成骨诱导性。

目前，MXene在航天、柔性电子、太赫兹吸收、储能设备及生物医学等诸多领域的应用前景备受关注。如何将纳米级片状的MXene制备成高性能的宏观形态，是实现这些商业应用的关键。刮涂、滴涂和狭缝涂覆等方法已被证明可以大规模地将MXene片材组装成对齐的宏观薄膜。

然而，由于层间相互作用较弱以及存在孔隙，这些大面积MXene薄膜的机械性能、电导率和环境稳定性受到影响，极大地限制了其实用性。 为提高MXene薄膜的性能，研究者进行了多方面的尝试，通过增强层间相互作用并消除孔隙来改善薄膜性能。可以通过化学交联（如氢键、离子键和共价键）来提升MXene层间的连接性。 例如，插入聚乙烯醇通过氢键增强薄膜的抗拉强度；相邻的MXene片层通过离子键结合以强化薄膜；通过共价键构建了强度高且稳定的MXene-聚多巴胺薄膜。共价键和氢键的结合还可产生协同效应，从而显著提高MXene薄膜的抗拉强度和韧性。

此外，小片状MXene和离子的插层可以使薄膜更致密，提升其抗拉强度和导电性。尽管在MXene薄膜的高性能组装方面取得了一些进展，但当前薄膜的实际性能仍显著低于单层MXene片材，这部分是由于干燥过程中毛细收缩导致的MXene片层错位所致。

此外，这些组装方法通常仍处于实验室研究水平，难以大规模生产MXene薄膜，从而限制了其商业应用。因此，实现高性能MXene薄膜的可规模化制备依然是一个亟待解决的挑战。 在此，研究者报告了高性能MXene薄膜的可扩展制造，通过结合卷对卷辅助叶片涂层（RBC）工艺和顺序桥接工艺。 MXene薄片首先通过氢键与丝胶（SS）桥接，然后使用RBC工艺以20 cm min-1的速度连续组装成宏观薄膜，然后与锌离子（Zn2+）桥接以冻结湿膜的排列。 制备的MXene薄膜具有高度排列和致密的特性，具有较高的抗拉强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m−3）和电磁干扰屏蔽能力（78,000 dB cm2 g−1），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。 获得的可扩展顺序桥接MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和紧凑的微观结构，层间相互作用强。因此，它们具有较高的机械和电气性能，以及良好的环境稳定性，光热转换和成骨能力。

图1S-SBM薄膜的制备工艺、结构模型及性能。 图2 S-MXene和S-SBM薄膜的结构表征和力学性能。 图3 S-MXene和S-SBM薄膜的氧化稳定性和光热转换性能。 图4 S-MXene和S-SBM膜的生物相容性和骨再生。 图5 S-MXene和S-SBM膜对巨噬细胞的抗炎和免疫调节作用及其对BMSCs的体外成骨作用。

综上所述，研究者展示了一种可扩展的策略，通过连续的RBC结合氢键和离子键的顺序桥接来制造高度排列和紧凑的MXene薄膜，并具有强的层间相互作用。 制备的MXene薄膜具有较高的拉伸强度、韧性、导电性、电磁干扰屏蔽能力、抗氧化、应力弛豫和循环机械变形能力，在近红外照射下具有良好的光热转换和成骨效率，在航空航天、柔性可穿戴设备和临床骨修复等领域具有广泛的实际应用潜力。 这一策略为其他二维薄片大规模组装成宏观高性能材料开辟了道路。

PS：据悉，这已经是北京航空航天大学在2024年内发表的第4篇Nature，前三篇的时间依次如下：

北京航空航天大学今年的发CNS势头，不可谓不强啊！

参考文献

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

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8