【科研摘要】
實現出色的電磁幹擾（EMI）屏蔽以及機械柔韌性，光學透明性和環境穩定性，對於塗料，靜電放電，電子顯示器以及可穿戴和可攜式電子設備的未來至關重要。不幸的是，由於缺乏對基礎材料的物理特性和結構-特性關係的了解，因此工程設計具有所有這些所需特性的材料具有挑戰性。大自然提供了許多示例，這些示例是通過對具有選擇長度的成分的多種長度尺度的層次結構進行精確工程而對屬性進行組合的。這種靈感反映在各種各樣的合成建築納米複合材料中。最近，美國Dhriti Nepal等科研工作者簡要概述了分層架構在基於MXene的薄膜納米複合材料中的作用方面的最新進展，以尋求實現多種功能，尤其著重於出色的EMI屏蔽，透明性和機械強度的組合。作者還將討論關鍵機遇，挑戰和前景。相關論文Toward Architected Nanocomposites: MXenes and Beyond發表再《ACS Nano》上。
【背景介紹】
在當前的物聯網時代，設備和實體連接到全球互連網絡中，對EMI屏蔽材料的需求不斷增長，這種材料可以消除串擾並保護電子電路和設備。諸如公共衛生安全，人機界面以及電子和電信設備操作之類的應用程式需要完成的功能不僅僅是EMI屏蔽。滿足這些要求所需的材料必須具有出色的導電性，但還必須輕巧，超薄，透明，柔性，機械堅固，無腐蝕並且能夠變形和感知。在一個材料系統中實現多種功能是一項巨大的挑戰。
導電聚合物，具有碳同素異形體的聚合物納米複合材料（單/雙/多壁碳納米管，石墨烯片），不同組成和形狀的無機納米粒子以及二維（2D）片也已被研究用於EMI屏蔽。但是，由於在微波和射頻下的EMI-SE依賴於自由載流子的響應，因此在保持良好的機械性能和光學透明性的同時，要以最低的適當厚度和密度實現高電磁幹擾屏蔽效果（EMI-SE）存在困難。通常，EMI-SE隨著電導率的增加而增加，但是具有高電導率的材料（即金屬）通常具有在紫外線或可見光範圍內的等離激元激發波長，從而使它們對可見光和紅外光不透明。因此，尋求工程材料以在低頻下最大化一種或多種損耗機制，同時保持光學和紅外頻率下的透明性。設計此類材料的潛在挑戰主要是由於：（a）對填料，基體和相間的形態和內在特性如何影響電荷傳輸特性並補償吸收損耗缺乏了解；（b）透明度和EMI-SE的根本相反要求，並且缺乏有關優化特性的設計和配置的知識；（c）缺乏健全的理論和計算框架，無法為多種長度尺度的材料選擇和性能優化提供指導。
【圖文解析】
基於MXenes的多功能結構納米複合材料
二維平面結構（例如石墨烯和MXenes）具有大的長寬比，出色的導電性和良好的機械性能，這些都為高性能EMI屏蔽材料展示了廣闊的前景。與石墨烯片的均質成分不同，MXene（Mn+1XnTx，其中M =早期過渡金屬，X=碳和/或氮，Tx=功能性表面終端）是一類較大的2D碳化物，氮化物和碳氮化物，具有到目前為止，理論上可以預測70種不同的成分，而實驗上可以合成30多種不同的成分。
擁有如此廣闊的設計空間，可以根據元素組成，表面化學（邊緣與基礎），相間，形態和3D架構對性能進行微調。MXene的一些屬性包括出色的金屬導電性，親水性，出色的機械性能和有效的表面官能團。結果，對於同時需要高電導率和易於加工的應用，多次選擇了MXene。最近，Yun等結果表明，在EMI-SE方面，高度剝落的MXenes優於石墨烯及其衍生物。溶劑型剝離系統的主要區別之一是與石墨烯相比，Ti3C2Tx的電導率更高。加工過程中不可避免的表面缺陷會大大降低石墨烯的電導率；儘管這種現象似乎在多層多層Ti3C2Tx中不那麼明顯，但具體機理尚不清楚。（Adv. Mater. 2020, 32, 1906769）。
用於潛在電磁幹擾類型應用的MXene的研究蓬勃發展。
有機會探索並提取自然界的設計原理，從而創造出具有高EMI-SE，超柔韌性和透明性的結構化複合材料。通常，這些原理可以與理論和模擬相結合，以指導有機物/無機物/聚合物在界面/中間相之間進行精確工程設計，並選擇地選擇成分，並以多種長度尺度控制層次結構（圖1）。
圖1. MXenes和更多功能的自然靈感架構示意圖。窗玻璃牡蠣在可見光下顯示透明性，同時具有機械彈性。
構築的MXenes納米複合材料的電磁幹擾屏蔽，光學透明性和機械靈活性
Chen等人仔細實施了這四種策略（圖2A），以實現多種特性的非常規組合，包括出色的EMI屏蔽，透明性，機械柔韌性，聲學感應和環境穩定性。（ACS Nano 2020, 14, 16643– 16653）。對於材料，作者選擇了Ti3C2Tx和銀納米線（AgNWs）的單層。AgNW薄膜以出色的透明性和導電性而著稱，通常優於銦錫氧化物（ITO）薄膜。為了避免這些缺陷，作者在每一層中採用了毛細管力誘導的納米級焊接策略，從而在AgNWs和Ti3C2Tx的結內以及AgNWs和Ti3C2Tx的界面之間實現了出色的電接觸。先前的研究表明，由毛細管力引起的壓力足以焊接AgNW網絡（圖2B）。MXene焊接的AgNW網絡的分層結構提高了導電性並保留了透射率（圖2B）。優化的Ti3C2Tx密度（20 mg m–2）足以形成MXene焊接的AgNW網絡結構，該結構既具有出色的導電性又具有良好的透射性。這種對層，形態，結和界面進行納米級精密工程的方法可同時提高電導率和機械性能以及保留的透射率（圖2C–E）。最終的分層結構在恆定的1.3 mm半徑下經受了3000次彎曲循環，表明這些薄膜在複雜變形下的長期耐用性。圖2F顯示了3D間隙分層結構的優化幾何形狀。薄膜中AgNWs的密度是另一個變量，對於最大化內部反射至關重要，其中每個組成層都需要一個AgNWs的滲透導電網絡。受控的間隙，分層結構設計顯示出顯著增強的屏蔽性能，保持了高透射率（圖2G，H）。
圖2.（A）示意圖，顯示透明MXene /銀納米線（MA）膜的製造過程。（B）比較MXene和AgNWs的薄層電阻和透光率。（C）在不同彎曲半徑（彎曲）處的彎曲測試和（D）半徑為1.3 mm的循環彎曲測試。（E）MA20/205膜在半徑為1.3 mm的3000個彎曲循環後的電磁幹擾屏蔽效能（EMI SE）的長期穩定性。（F）顯示d-MA膜的製備過程的示意圖。插圖是d-MA膠片的特寫照片。（G）具有不同間隙距離的MA20/164和d-MA10/82薄膜的相對透射率。（H）具有不同間隙距離的MA和d-MA膜的實驗和模擬SE值。
Chen等人展示了一種輕質的納米複合材料，具有非凡的性能組合，包括出色的電磁幹擾屏蔽，透明性，出色的機械柔韌性，環境穩定性和聲音感應。
挑戰與未來展望
推進基於MXene的層次結構的發展面臨著許多挑戰，這些層次結構適用於未來電子設備的EMI屏蔽。需要系統的實驗和理論來彌合對EM響應的潛在機制的重大知識鴻溝。需要了解元素組成，表面化學性質，形態和3D結構對吸收和EMI-SE的影響。已經提出了許多增強MXene屏蔽的潛在機制。單個MXene薄片內部的多次反射和多次散射事件等概念與使用完整基質轉移方法進行的分析一致。但是，尚未完全闡明薄片內電導，界面偶極子以及薄片內和薄片間散射在EMI-SE中的具體作用。例如，由於許多不同的天然和工程表面組，有時在MXene膜上測得的直流電導率與單個薄片的固有電導率會有很大差異。因此，當使用已建立的模型分析這些結構化結構的EMI-SE和光學透明度時，重要的是要在適合模型的長度尺度上區分微觀和整體性質。
MXene的表面化學非常複雜，由共價和非共價相互作用，懸空鍵等組成，而用當前的標準方法幾乎無法通過實驗進行跟蹤。需要更全面的方法，例如組合合成和特定的表面功能化。使用掃描透射電子顯微鏡電子能量損失光譜，介電/開爾文探針光譜，掃描微波顯微鏡，表面探針拉曼和基於原子力顯微鏡的紅外光譜，必須進行局部定性和/或定量表徵。這些實驗結果需要與本構關係的第一性原理計算緊密結合。
需要優化某些處理功能，以控制剝落化學，剝落質量，表面功能化，溶劑，分散液，氧化穩定性，形狀和粒徑。要使MXenes優異的內在特性轉化為中尺度，單層的高產量是必要的，這一點尚待建立。由於MXenes的熱氧化穩定性和腐蝕性很差，因此必須通過受控的表面官能化對表面進行仔細的鈍化處理。大自然提供了許多環境彈性示例：層次結構和疏水性塗層是可以在MXenes或以上的納米複合材料中實現的一些基本原理。同樣，加工參數對於實現高薄膜透明度至關重要。還需要了解退火條件對界面化學的影響以及所產生的孔隙和空隙對增加EMI-SE的作用。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsnano.0c09834
版權聲明：「高分子材料科學」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！