基于2D构建块的块状纳米材料路线图

众所周知，诸如石墨烯和二硫化钼（MoS 2）的二维（2D）材料具有独特的性能。具有多种化学性质的2D结构家族可以为更好地理解2D和3D材料的性能差异打开大门。导致确定二维碳化物，氮化物，碳氧化物和其他相关结构的有用特性；并最终导致新的应用。

最近的一项研究（“二维，有序，双过渡金属硬质合金（MXenes）”）显示，二维材料家族，尤其是MXenes（在我们以前的Nanowerk Spotlight中阅读了有关MXenes的更多信息），可以基于新的“双重金属”策略。

随着这些2D系统与其他纳米结构的互补，现在已经可以使用多种定义明确的纳米结构材料，以使研究人员可以更加专注于按比例放大这些纳米级构建基块的合成，并以散装形式而不是作为单个单元来研究它们。

在更广泛的材料科学和工程学背景下，纳米材料的这种扩展是ACS Nano（“基于二维构件的块状纳米结构材料：路线图”）中的一篇Perspective文章的主题，作者在此处构建了组装路线图将纳米级构建块转换为块状纳米结构材料，并定义了一些关键的挑战和目标。

正如作者所写，二维图纸非常适合此路线图，用于构建具有可伸缩材料性能或有趣的新兴特性的致密，大尺寸样品。但是无论使用哪种结构，“当以散装形式使用具有优于整体材料性能的纳米结构时，至关重要的是，这些非凡的纳米级性能可以缩放到宏观水平。”

一个很好的例子是将碳纳米管（CNT）的性能按比例放大到宏观规模的挑战。材料工程师热衷于利用碳纳米管的出色机械性能，将其用于纤维，复合材料，织物和其他大型结构和设备，直至未来的应用（例如太空电梯）。制造连续多功能纱线的能力代表了朝这个方向迈出的重要一步（更多信息：“ 纺制几千米长的多层碳纳米管纱线 ”）。

纳米材料的本体形式：自顶向下和自底向上。（a）最初证明块状纳米结构材料是通过大量塑性变形加工的金属制成的，这大大减小了其晶粒尺寸，从而导致异常的机械性能。该曲线说明晶粒边界体积分数增加而晶粒尺寸减小的总体趋势。另一方面，离散的纳米级实体通常被组装成块状以产生新的特性或在应用中使用。一些示例包括以下内容：（b）具有鲜艳色彩的等离子体胶体晶体，可通过（c）八面体Ag纳米晶体的组装进行调谐（©美国化学学会）。（d）具有非凡强度和韧性的碳纳米管加捻纱（©美国科学促进会）。（e）由脱落的粘土片制成的层状膜，具有单极性离子迁移和高离子电导率（©Nature Publishing Group）。（f）具有可缩放表面积的皱纹石墨烯球的造粒粉末。（g）致密的纳米多孔石墨烯单块19，具有可模压的形状和出色的超级电容器性能（©Nature Publishing Group）。（点击图片可放大）

关于为自下而上的组装向新的块状纳米结构材料定义路线图，作者指出，存在许多挑战，可以概括为可扩展性和稳定性。

“可扩展性既指高质量的可加工纳米级结构块的可扩展合成，也指可扩展的材料性能，在这些结构中，纳米级单元的属性仍可在最终的散装件中获得。结构块的稳定性也很重要，因为它们不应烧结成大颗粒，或在加工或使用过程中化学转化成不太有用的材料。”

路线图显示了自下而上的组装路线，朝着新的块状纳米结构材料发展，突显了可扩展性和稳定性方面的挑战。（经美国化学学会许可转载）

作者得出的结论是，二维材料可能是最有前途的，用于定义块状纳米结构工程材料的，定义明确的纳米级构建基块：“二维片材能够形成紧密的面对面接触，并且它们会弯曲，起皱或起皱。在组装过程中，有些甚至会在单层水平发生塑性变形，因此，他们可以构建具有可调自由体积和孔隙率的高密度散装样品。就稳定性而言，如果母层材料是热力学稳定的，那么我们可能会期望剥落的2D片材具有耐烧结性，并能保持其单层或几层厚度，但是，与大块材料相比，它们的高表面积还导致更高的化学反应性，这对于目标应用而言应予以解决。适当的封装或表面钝化可以在不牺牲性能的情况下减轻这一问题。” 信息来源：Nanowerk