自德雷塞尔大学发现以来的十年里，MXenes家族的二维材料已在海水淡化、能源存储、电磁屏蔽和电信等众多应用领域展现出巨大的前景。

虽然研究人员长期以来一直在猜测其多功能性的起源，但最近由德雷塞尔大学和加州大学洛杉矶分校领导的一项研究首次清楚地揭示了其表面化学结构MXenes功能的基础

该团队使用先进的成像技术，即扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道光谱(STS)，其中包括来自加州州立大学北岭分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员，绘制了碳化钛MXene的电化学表面形貌，MXene是该家族中研究最多、应用最广泛的成员。

他们的研究成果发表在《Matter》杂志上，这将有助于解释MXene家族成员所表现出的一系列特性，并允许研究人员为特定应用定制新材料。

“MXenes的大部分潜力都来自于其丰富的表面化学性质，”这项研究的主要作者、德雷塞尔大学工程学院杰出大学和巴赫教授YuryGogotsi博士说道，他的研究小组于2011年参与了该材料的发现。

“利用扫描隧道显微镜首次以原子尺度观察其表面是一个令人兴奋的进展，它将为控制材料表面和实现MXenes在先进技术中的应用开辟新的可能性。”

尽管MXenes是二维材料，但作为其化学、电化学和催化特性基础的相互作用(无论是超快速存储电能、分解水产生氢气还是从血液中提取尿素)都是由形成其表面层的原子引发的。

先前的研究利用扫描电子显微镜(SEM)、二次离子质谱(SIMS)和尖端增强拉曼光谱(TERS)等技术，对MXene表面的化学结构进行了低分辨率观察。这些工具可以间接读取材料的成分，但几乎无法提供有关其表面组织复杂性的信息。

相比之下，扫描隧道显微镜和扫描隧道光谱提供了有关材料表面结构的形状和组成以及表面化学和特性的更直接的信息。

这些工具使用极其锋利的探针，这种探针灵敏度足以在扫描平面时区分一个原子和另一个原子。探针尖端带有电荷，使其能够与经过的每个原子相互作用;这种相互作用(称为量子隧穿)提供了有关材料表面原子的信息。光谱扫描提供了原子和分子水平的表面成分信息。扫描结果被转换成图像，形成材料表面的地形图。

“借助STM/STS，我们可以看到MXenes表面的原子排列，甚至可以以原子分辨率研究它们的电导率，”Gogotsi说。“这是理解MXenes为何具有极端特性并在许多应用中优于其他材料的关键。它还有助于我们探索MXenes的量子特性，并为这种快速扩展的材料家族发现新的机会。”

研究人员表示，定位原子群(称为功能团)，识别它们并根据其特定位置和附着情况测量它们在表面的性质，都是理解MXenes如何与其他化学物质和材料相互作用的重要进展。

“MXene表面在化学上是不均匀的。这既是它们有趣的地方，也是研究起来困难的地方，”加州大学洛杉矶分校杰出教授、加州大学校长保罗·韦斯博士说，他与Gogotsi一起领导了这项研究。“我们相信这也是其惊人性能的关键。然而，我们尚不清楚哪些化学功能对哪些应用很重要。”

该团队的STM/STS成像显示MXene表面有10纳米的特征，可能是氧化钛簇，还有一些较小的突起，以扭曲的六边形对称排列，他们认为这些是功能基团，然后他们继续进行化学识别。

这项研究的结果与之前的理论、低分辨率显微镜和有关碳化钛MXene表面的光谱数据一致，包括预测其表面是金属的。然而，研究小组表示，仔细观察表面缺陷及其异质性的性质是了解它们如何影响材料行为的重要一步。

“在这项研究中，我们开始着手研究。我们能够对一些化学功能进行成像并开始确定其作用，”Weiss说道。“MXenes最有趣的未知方面之一是它们的缺陷和异质性在其功能和环境稳定性中扮演着什么角色。现在我们已经踏上了探索这些角色的征程。”

该小组将利用德雷塞尔大学的材料科学家、加州大学洛杉矶分校和劳伦斯伯克利国家实验室的STM小组以及加州州立大学北岭分校的理论科学家的集体专业知识，继续对这些材料进行严格的分析，并制定出调节其化学成分以调整其功能以满足不同用途的流程。

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