仿生受限组装MXene纳米复合材料：从自然启发到规模化应用的跨越式进展
在航空航天、柔性电子与生物医用等前沿领域，对兼具高强度、高导电性与多功能集成的新型材料需求日益迫切。然而，尽管二维过渡金属碳化物、氮化物自2011年问世以来展现出优异的本征性能，其单层纳米片的卓越特性在宏观复合材料中却难以充分发挥，成为制约其应用的核心挑战。尤其是在传统湿化学组装过程中产生的孔隙缺陷，显著削弱了材料的力学性能与功能表现。与此同时，自然界中如珍珠母等生物材料通过层级结构实现强韧协同，为材料设计提供了重要启示。如何借鉴自然界的“限域组装”机制，实现MXene纳米片从微观到宏观的性能传递与放大，成为当前研究的关键问题。
在此，中国科大仿生材料与界面科学重点实验室程群峰教授发表综述论文，系统综述了仿生限域组装MXene纳米复合材料的最新进展，重点阐述其结构设计、组装机制、规模化制备以及多功能应用。研究指出，通过揭示湿化学组装过程中纳米孔隙的形成机制，并引入协同界面作用、纳米填充以及限域组装等策略，可以显著降低孔隙率、提高层间载荷传递效率，从而大幅提升材料的力学与电学性能。同时，文章总结了热拉伸与卷对卷涂布等可规模化制造技术，并展示了其在电磁屏蔽、骨再生及人工肌肉等领域的应用潜力，为未来MXene复合材料的发展提供了系统性指导。相关成果以“Large-scale, mechanically robust bioinspired confined MXene nanocomposites”为题发表在《Nature Reviews Materials》上，李雨宸和张欣瑞为共同第一作者。
从结构设计角度看，仿生理念贯穿全文。图1a展示了仿生限域组装的基本概念：二维纳米片与分子在限域空间中构建高度有序的“砖-泥”结构，并进一步形成宏观纤维或薄膜。图1b与图1c揭示了天然珍珠母的矿化过程，其中有机基体在限域空间中调控CaCO₃晶体的成核与生长，形成致密的层状结构，并通过矿桥结合、纳米粗糙剪切、有机层粘弹性以及片层互锁等多种界面作用协同耗散能量。图1d进一步表明，这种结构使天然材料的断裂韧性远超传统复合材料理论预测。受此启发，图1e显示仿生MXene复合材料在强度与模量上显著优于传统体系，而图1f则表明其在导电性与电磁屏蔽性能上也实现同步提升，体现出结构与功能的高度耦合。
图1：高性能MXene纳米复合材料的仿生受限组装策略
在具体组装过程中，图2a系统描述了MXene复合材料的湿化学组装路径，包括共分散、组装与干燥三个阶段。图2b显示，在干燥过程中毛细收缩会导致纳米片取向度下降，这是性能衰减的重要原因。图2c至图2e通过FIB-SEM断层与纳米CT三维重构技术首次直接观察到内部孔隙结构，证实孔隙体积可达微米尺度，整体孔隙率约为5.4%。这些结果揭示，孔隙并非偶然缺陷，而是组装过程中的普遍现象，为后续调控提供了关键依据。
图2：MXene纳米复合材料的组装过程及孔隙形成
针对孔隙问题，研究提出了多种仿生策略。图3a–f展示了“协同界面作用”策略，通过氢键、离子键与共价键的组合增强层间结合。例如图3b和图3c所示的MXene–海藻酸–Ca²⁺体系，通过多重界面作用显著提升强度与韧性，而图3d–f表明单一共价键难以消除孔隙，需多种作用协同才能降低孔隙率。图3g–l则展示“纳米填充”策略：0D液态金属颗粒（图3h、i）可流动填充不规则孔隙，1D纳米线（图3j）形成桥联网络，而2D纳米片（图3k、l）则构建互锁结构，从而进一步提高力学性能与导电性能。这些方法虽有效，但本质上仍属于“修复”孔隙。
图3：协同界面作用与纳米填充策略
更进一步，图4展示了“限域组装”策略，从源头抑制孔隙形成。图4a–d中的拉伸诱导取向方法，通过外加应力使纳米片高度排列，显著提升取向因子并降低孔隙率；而图4e–i中的纳米限域水组装方法，则利用层间水分子形成氢键网络，稳定结构并实现各向同性增强，使材料强度提升至1.87 GPa，同时孔隙率降至3.87%。这一策略标志着从“修补缺陷”向“主动调控结构”的转变。
图4：二维纳米复合材料的受限组装机制
在规模化制造方面，图5a和图5b展示了热拉伸技术，通过多维应力场实现MXene纤维的高取向与致密结构，制备出长度达百米的连续纤维。图5c则展示卷对卷刮刀涂布技术，实现宽度达25 cm的连续薄膜生产，并通过Zn²⁺交联实现限域组装。这些技术突破了传统实验室方法的尺寸限制，为工业化应用奠定基础。
图5：MXene纳米复合材料的规模化制备方法
在应用层面，图6系统展示了功能化表现。图6a比较不同二维材料的电磁屏蔽性能，MXene复合材料表现突出；图6b说明其屏蔽机制以反射与多重散射为主；图6c显示织物在弯折、拉伸等条件下仍保持超过95%的屏蔽效率，体现出优异稳定性；图6d则揭示其在骨再生中的作用机制，通过清除活性氧、调控免疫反应与促进干细胞分化，实现显著修复效果。
图6：电磁屏蔽与骨再生应用
此外，图7展示了MXene在人工肌肉中的应用。图7a和图7b揭示其层状多孔结构，图7c显示在加热过程中材料通过氢键重排实现可逆收缩，图7d给出应变与做功能力关系，图7e演示仿生机械臂运动，而图7f则表明其在多次循环中保持稳定性能。这类材料的能量密度远超天然肌肉，展现出广阔应用前景。
图7：基于MXene的人工肌肉结构与性能
小结
总体来看，仿生限域组装策略显著缩小了MXene材料从纳米到宏观的性能差距，并推动其向实际应用迈进。未来研究仍需在高质量MXene纳米片制备、孔隙结构精细调控以及智能化设计等方面取得突破。特别是结合人工智能与多尺度模拟，有望实现对组装过程的精准预测与优化，加速新型高性能材料的开发。随着这些关键问题逐步解决，MXene纳米复合材料有望在航空航天、智能制造与生物医学等领域实现规模化应用，开启新一代多功能材料的发展新阶段。
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