自德雷塞尔大学发现 MXenes 以来的十年间，这种二维材料家族已在海水淡化、储能、电磁屏蔽和电信等众多领域展现出巨大潜力。尽管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晰地展示了 MXenes 功能的基础表面化学结构。

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)，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、使用最广泛的成员，团队成员还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。他们的研究成果发表在 Cell Press 杂志《Matter》五周年纪念刊上，将有助于解释 MXene 家族成员所表现出的一系列特性，并让研究人员能够为特定应用定制新材料。

“MXenes 的大部分潜在应用都源自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Yury Gogotsi 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，是一项令人兴奋的进展，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 说道。“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)，根据其特定位置和附着情况识别它们并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，也是它们难以研究的地方，”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。“我们相信这也是它们惊人性能的关键。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，并继续对其进行化学识别。

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赋予其功能，”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。