「一維」大於「二維」！MXene 奈米捲為次世代電池打開新材料想像

過去十多年來，多層奈米材料 MXene 薄片因其高導電性與化學可調性，逐漸成為電池與能源材料研究中的關鍵角色。

如今，來自美國 Drexel University（德雷克塞爾大學）的研究團隊發表在學術期刊《Advanced Materials》的一項研究，進一步讓 MXene 從「平面」跨入「立體」，成功將原本的二維薄片轉化為一維捲狀結構，為電池、感應器與穿戴式裝置帶來全新的材料設計方向。

這種被稱為 MXene nanoscroll 的一維結構，厚度僅為人類頭髮的約百分之一，不僅保留 MXene 原有的高導電特性，還在離子傳輸、機械強度與表面可及性上展現顯著優勢。研究團隊認為，材料幾何形狀的改變，正是讓 MXene 從實驗室材料，邁向實際能源應用的重要關鍵。

為何「一維」比「二維」更有優勢？

研究人員之一、Drexel University 工程學院傑出大學教授暨 Bach 教授 Yury Gogotsi 指出，材料形貌往往直接影響應用場景。

他表示：「二維形貌在許多應用中非常重要，但在某些應用中，一維形貌更具優勢，這就像是在比較鋼板與金屬管或鋼筋。製作車身需要鋼板，但要輸送水或強化混凝土，則需要長管或長條結構。」

這樣的比喻也精準點出 MXene 捲狀結構的價值。

相較於平整堆疊的二維薄片，一維管狀結構能在材料內部形成開放通道，讓離子移動路徑更直接，阻力也明顯降低，對電池這類高度仰賴快速離子傳輸的系統而言，影響尤其明顯。

在傳統 MXene 薄片中，多層結構容易緊密堆疊，形成奈米尺度的受限空間。

Drexel University 工程學院博士後研究員 Teng Zhang 指出，這樣的結構會讓離子與分子在層間移動時變得困難，他說：「在標準的二維 MXene 中，薄片會平整地一層層堆疊，形成受限空間，使離子或分子在層間移動時路徑困難，」

透過將二維奈米薄片轉換為一維捲狀結構，研究團隊成功避免這種奈米侷限效應。Zhang 表示：「這種開放式的管狀幾何形態，實際上形成了快速傳輸的『高速公路』，讓離子能自由移動。」

從化學反應到可量產製程

在製程上，研究團隊以多層 MXene 薄片作為前驅物，透過嚴格控制化學環境，利用水調整其表面化學性質，誘發一種稱為 Janus reaction 的結構不對稱。這種不對稱會在晶格內產生應變，最終驅動薄片自發性剝離並捲曲成緊密的管狀結構。

研究團隊已在六種不同 MXene 材料上驗證此方法，包含碳化鈦、碳化鈮、碳化釩、碳化鉭與碳氮化鈦，並能穩定製備出多達 10 公克、形狀與化學組成皆可控制的一維奈米捲，這也解決過去 MXene 一維結構難以穩定製備、品質不一的問題。

除了電池應用外，MXene 奈米捲的中空結構也讓其在化學與生物感測上展現潛力。

Gogotsi 指出，在傳統堆疊的二維結構中，分子吸附的活性位點往往被藏在層與層之間，讓分子，尤其是大型生物分子，難以接觸。相較之下，捲狀結構的開放設計能讓分析物更容易接觸 MXene 表面，搭配其高導電性與機械剛性，有助於產生穩定且清楚的感測訊號。

從穿戴式電子到量子材料的延伸想像

在穿戴式電子或 ionotronic 裝置領域，研究團隊也認為 MXene 奈米捲能同時扮演結構補強與導電網絡的雙重角色。由於其剛性結構，奈米捲能穩定錨定於柔軟的高分子基材中，在拉伸或彎折時仍維持電性連續，適合長時間貼身使用。

此外，研究團隊也發現，可透過電場控制奈米捲在溶液中的排列方向。

Zhang 形容道：「想像一下，操控數以百萬計、比人類頭髮細 100 倍的微管，讓它們組成導線，或垂直排列形成刷狀結構。」這不僅是真正的奈米尺度操控，也為機能性紡織品與導電塗層帶來更多設計彈性。

另外，研究團隊在碳化鈮 MXene 奈米捲製成的可撓式薄膜中，首次觀察到超導行為。Gogotsi 指出，過去這類 MXene 的超導性僅存在於壓製顆粒中，從未在具備機械柔性的溶液製程薄膜中出現。他推測，捲製過程引入的晶格應變與曲率，可能是穩定超導狀態的關鍵因素。

這項研究不只是材料形貌上的轉變，更讓 MXene 從單一功能材料，逐步走向可被工程化、系統化運用的能源關鍵材料，為次世代電池與相關能源科技，提供了新的材料想像空間。

核稿編輯：Mia 

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