圖文來源于 布魯克納米表征表面儀器 仇登利博士
由于二維納米材料（如石墨烯和過渡金屬碳化物/氮化物MXene）具有特殊納米電學和機械性能，其可以用于制造柔性儲能裝置的重要材料。二維納米材料的力學性能受到排列、層間相互作用和緊密度等因素的影響。在這方面，有序組裝、層間交聯和孔隙填充等策略已經被提出用于改善這些材料的力學性能。然而，濕化學方法組裝的二維納米材料在干燥過程中容易發生毛細收縮，導致結構的急劇收縮，形成皺褶，從而降低了材料的力學性能。傳統方法中，超臨界干燥和凍結干燥可以防止毛細收縮，但卻帶來了片密度的小幅增加，導致非最優化的力學性能。此外，盡管一些方法已經成功制備了自由懸浮的二維納米材料薄片，但很難同時實現高度排列和緊密度。
為解決以上問題，程群峰教授和美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman教授等科學家在研究中探索了利用水分子在真空過濾過程中形成有序、延伸的平面氫鍵網絡，以實現高度排列和防止毛細收縮的可能性。通過使用類似尺寸的氧化石墨烯和Ti3C2Tx MXene納米片，科學家進行了研究，并采用了氫碘酸和π-π橋接等技術，制備了高度排列、平面各向同性的MXene橋接石墨烯片（πBMG）。通過在真空過濾過程中引入水分子，形成有序、延伸的平面氫鍵網絡，科學家成功地防止了納米片的毛細收縮，并實現了高度排列。在經過氫碘酸和π-π橋接等處理后，他們獲得了強度各向同性的πBMG片。這項研究的成果為制備高性能二維納米材料提供了新的方法，解決了濕化學方法中常見的結構缺陷和力學性能下降的問題。相關成果在Science頂刊發題為“Water-induced strong isotropic MXene-bridged graπhene sheets for electrochemical energy storage.”的研究論文，引起了不小的關注。
為了解決二維納米材料在制備過程中的排列和緊密度問題，研究者在圖1展示了利用納米限域水制備排列一致的MXene橋接氧化石墨烯（MGO）片的過程和結構。首先，圖1A是MGO水凝膠和MGO片的制備過程。研究者將MXene和氧化石墨烯納米片混合在室溫水中，形成MXene橋接的GO（MGO）納米片，通過Ti-O-C共價鍵連接。DFT計算顯示MGO片中MXene和GO的原子結構，表明它們通過共價鍵橋接（見圖a）。在連續真空過濾過程中，MXene和GO納米片之間形成了被限制在納米通道中的水分子層，使得MGO片具有高度排列一致的結構。其次，圖1B展示了GO、MXene和MGO片中水和氫鍵的配置，通過分子動力學模擬得到。結果顯示，MGO片中的界面水密度要遠高于GO片，表明MXene的存在促使了水分子在MGO片中的高密度排列（見圖b）。最后，圖1C顯示了GO、MXene和MGO片中水分子和氫鍵的面積數密度。結果表明，在MGO片中，界面水的形成要求不僅需要納米限域通道，還需要MXene的存在，而且MGO片中的水含量比毛細干燥的CMGO片要高（見圖c）。所以，通過利用納米限域水，研究者成功地制備了排列一致、具有高密度的MXene橋接氧化石墨烯片，解決了二維納米材料在制備過程中常見的排列和緊密度問題。
圖1. 用納米受限水獲得的MXene和氧化石墨烯納米片的制備和結構示意圖。
為了深入了解氧化石墨烯（GO）、MXene和MXene橋接氧化石墨烯（MGO）片的結構，研究者主要利用布魯克的納米紅外光譜儀來表征納米受限水在MXene和氧化石墨烯納米片上的分布情況。如圖2展示了這些片的AFM-IR化學圖像、紅外吸收光譜和WAXS數據。首先，通過AFM-IR技術，研究者獲得了GO、MXene和MGO片的化學分布的空間模式。在圖2A至圖2C中，分別展示了GO、MXene和MGO片在不同紅外頻率下的化學分布。這些圖像揭示了水在不同片中的聚集和分布狀態。通過分子動力學模擬，研究者成功地確定了體相水和界面水的位置，為后續研究提供了基礎（見圖a）。其次，圖2D顯示了GO、MXene和MGO片的紅外吸收光譜。在光譜中，研究者觀察到在3244、3492和3596 cm?1處的峰分別對應于體相水、弱氫鍵相互作用的界面水和界面水的懸掛氫氧基。這些峰的出現表明不同水狀態在片中的存在，進一步支持了AFM-IR圖像的觀察結果。最后，通過WAXS數據，研究者研究了GO和MGO片的晶體結構。圖2E至圖2G展示了入射Cu-KαX射線束平行于片平面的WAXS數據。通過方位掃描輪廓，研究者記錄了GO和MGO片中（001）和MXene片中（002）峰的信息。這些數據進一步證明了MGO片中水的連續分布，以及MXene和GO納米片的有序排列。
圖2. GO、MXene和MXene橋接氧化石墨烯（MGO）薄片的AFM-IR表征。
同時，文中研究者還利用布魯克原子力顯微鏡（Multimode 8）和透射電子顯微鏡來表征了各向同性MXene橋接石墨烯（πBMG）片的表面形貌，并且利用這一系列結構性分析和比較揭示了πBMG片在力學性能和結構緊致性方面的顯著優勢，為其在柔性器件領域的廣泛應用提供了有力支持。
