瑞典林雪平大學（Linköping University）的研究人員開發出一種新方法，可以合成數百種新型二維材料，這些材料只有幾個原子厚，具有獨特的性能，可用於儲能和水淨化等各種應用。這項進展以實驗室驗證的理論模型為基礎，拓寬了在已知的MXenes 家族之外創造更多二維材料的潛力，為各種技術應用鋪平了道路。

厚度只有幾個原子的材料薄得驚人，具有獨特的性能，因此在儲能、催化和水淨化方面具有吸引力。瑞典林雪平大學的研究人員現已開發出一種方法，可以合成數百種新型二維材料。他們的研究發表在《科學》雜誌。

自石墨烯發現以來，極薄材料（即所謂的二維材料）的研究領域呈指數級增長。究其原因，二維材料相對於其體積或重量而言具有較大的表面積。這就產生了一系列物理現象和獨特性能，如良好的導電性、高強度或耐熱性，使得二維材料在基礎研究和應用領域都備受關注。

林雪平大學副教授約納斯-比約克。圖片來源：Thor Balkhed

“在一層只有一毫米薄的薄膜中，可以有數百萬層材料。”林雪平大學材料物理學教授約翰娜-羅森（Johanna Rosén）說：”層與層之間可以發生大量化學反應，因此二維材料可用於儲能或生成燃料等。

最大的二維材料家族稱為MXenes。 MXenes 由一種稱為MAX 相的三維母材料產生。它由三種不同的元素組成：M 是過渡金屬，A 是（A 族）元素，X 是碳或氮。透過酸性物質去除A 元素（剝離），就形成了二維材料。到目前為止，MXenes 是唯一以這種方式製造出來的材料系列。

林雪平的研究人員提出了一種理論方法，用於預測可能適合轉化為二維材料的其他三維材料。他們也證明了該理論模型與現實是一致的。

周杰，林雪平大學助理教授。圖片來源：Olov Planthaber

研究人員採用了三步驟法。第一步，他們發展了一個理論模型來預測哪些母體材料適用。利用國家超級電腦中心的大規模計算，研究人員從一個資料庫和66,643 種材料中篩選出119 種有前途的3D 材料。

下一步是嘗試在實驗室中製造這種材料。

“在119 種可能的材料中，我們研究了哪些材料具有所需的化學穩定性，哪些材料是最佳候選材料。首先，我們必須合成三維材料，這本身就是一項挑戰。最後，我們得到了一個高品質的樣品，可以使用氫氟酸剝離和蝕刻掉特定的原子層，」物理、化學和生物系助理教授週傑說。

研究人員從母體材料YRu2Si2 中去除釔（Y），形成了二維Ru2SixOy。

Johanna Rosén，林雪平大學材料物理學教授。圖片來源：Olov Planthaber

但要在實驗室中確認成功，還必須進行驗證，這就是第三步。研究人員使用了林雪平大學的掃描透射電子顯微鏡Arwen。它可以檢查材料及其原子級結構。這種顯微鏡中還可以利用光譜學研究材料是由哪些原子組成的。

“我們能夠確認我們的理論模型運作良好，所產生的材料由正確的原子組成。剝離後，材料的圖像就像一本書的書頁。”材料設計部副教授喬納斯-比約克（Jonas Björk）說：”理論能夠付諸實踐，從而將化學剝離的概念擴展到更多的材料家族，而不僅僅是MXenes。”

研究人員的發現意味著更多具有獨特性能的二維材料指日可待。這些材料反過來又能為大量技術應用奠定基礎。下一步，研究人員將探索更多潛在的前驅體材料，並擴大實驗規模。 Johanna Rosén 相信，未來的應用幾乎是無窮無盡的。

“總的來說，二維材料在大量應用中顯示出巨大的潛力。例如，可以想像捕獲二氧化碳或淨化水。”Johanna Rosén 說：”現在要做的是擴大合成規模，並以可持續的方式進行合成。

編譯來源：ScitechDaily