Mxenes是一類2D納米材料，可人為實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)械陶瓷性質(zhì)、化學(xué)可設(shè)計(jì)性、親水性等多種特性的調(diào)控。然而，在任何復(fù)合/雜化系統(tǒng)中，界潤(rùn)濕性是最具挑戰(zhàn)的問題之一。雖然決定了許多物理與化學(xué)屬性的潤(rùn)濕性是材料的一種基本特征，但是大多數(shù)常見的納米材料由于具有疏水性而體現(xiàn)出了較差的親和力，使得他們難以分散在給定的符合材料中。由于低接觸角，MXenes可以作為制造不同納米雜化結(jié)構(gòu)的理想候選者。本文注重研究MXenes的潤(rùn)濕性。本文首先簡(jiǎn)要介紹了MXenes材料，然后詳細(xì)討論了其潤(rùn)濕性現(xiàn)象。在回顧迄今為止進(jìn)行的少數(shù)研究工作后，我們特別關(guān)注了當(dāng)前的挑戰(zhàn)和研究陷阱，以闡明MXenes的未來(lái)發(fā)展前景。我們相信MXenes豐富的親水性表面會(huì)在制造具有特殊功能的先進(jìn)材料方面發(fā)揮重要的作用。

Wetting of MXenes and Beyond

Massoud Malaki and Rajender S. Varma*

Nano-Micro Letters (2023)15: 116

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01049-x

【本文亮點(diǎn)】

1.?本文著重回顧了包括MXenes在內(nèi)的2D材料的潤(rùn)濕特性。

2.由于豐富的化學(xué)性質(zhì)，MXenes在各種復(fù)合/混合系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

3.?親水性和優(yōu)異的物理性能使MXenes成為一種優(yōu)異的增強(qiáng)劑。

【內(nèi)容簡(jiǎn)介】

MXene由于具有非常高的縱橫比以及可調(diào)的TX官能團(tuán)而得到了廣泛的研究。然而，MXene增強(qiáng)復(fù)合/雜化材料的潤(rùn)濕特性仍需進(jìn)一步研究。伊斯法罕理工大學(xué)Massoud Malaki教授等在這篇展望中，首先介紹了潤(rùn)濕現(xiàn)象的基本表現(xiàn)，并闡述了復(fù)合材料中的潤(rùn)濕機(jī)理。此外，作者基于表面能、接觸角以及不同戒指的浸潤(rùn)參數(shù)等性質(zhì)對(duì)于MXenes在聚合物等各種材料中的潤(rùn)濕性進(jìn)行了研究。最后，作者對(duì)于該領(lǐng)域的研究工作進(jìn)行了批判性的回顧，并提出了當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及研究空白。

【圖文導(dǎo)讀】

I?潤(rùn)濕的基礎(chǔ)

目前，已有包括靜態(tài)躺滴測(cè)試、動(dòng)態(tài)躺滴測(cè)試、懸滴法以及威廉法在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)可用來(lái)測(cè)量潤(rùn)濕性。躺滴法由于方法簡(jiǎn)便且成本低廉而得到了更為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)楊氏模型（圖1），公式(1)可用于量化固體被液體材料潤(rùn)濕的性質(zhì)。其中，γSG、γSL、γLG分別為固體-氣體、固體-液體以及液體-氣體的表面張力，而θC為接觸角。值得注意的是，楊氏模型忽略了表面紋理效應(yīng)以及重力的影響。

γSG?γSL?γLGcosθC=0? ? ? ? ? ? ? ? ?(1)

II?MXenes的潤(rùn)濕性

由于很大程度上控制著截面特性，潤(rùn)濕性對(duì)于幾乎所有復(fù)合材料體系都至關(guān)重要。MXenes具有相對(duì)較低的接觸角、親水性表面，因此在各種溶劑和復(fù)合材料中具有良好的分散性。圖2展示了MXenes材料潤(rùn)濕性的關(guān)鍵參數(shù)，包括氧化、界面基團(tuán)、異質(zhì)性、合成方法、污染物以及表面能。圖3闡述了不同研究報(bào)告中MXenes片的接觸角。如圖所示，已報(bào)道的接觸角結(jié)果的范圍較大，從18.6°到91°。作者認(rèn)為上述現(xiàn)象可能源于不同種類的散射源。

除了使用MXenes作為主要增強(qiáng)劑外，它們還可以作為潤(rùn)濕促進(jìn)劑，通過涂層改善其他增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕行為以提高其界面強(qiáng)度。例如，Ying及其同事可以對(duì)于碳纖維（CF）進(jìn)行Ti?C?T?MXenes納米片涂覆將增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體的剪切強(qiáng)度提高了186%（圖4）。他們認(rèn)為通過改性的表面形貌的物理互鎖以及碳纖維的羧基和MXenes的官能團(tuán)之間的強(qiáng)氫鍵相互作用是上述增強(qiáng)現(xiàn)象的主要機(jī)制。此外，由于MXenes的親水性和潤(rùn)濕性，它們可以促進(jìn)環(huán)氧基體滲透到增強(qiáng)劑的表面微觀結(jié)構(gòu)中。如圖4所示，拔出實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)失效似乎發(fā)生在基體處，而不一定發(fā)生在增強(qiáng)劑和基體之間的界面處，這表明UHMWPE/BSA/MXene納米復(fù)合材料具有牢固的界面。此外，脫粘纖維大部分被環(huán)氧材料覆蓋，這表明良好潤(rùn)濕的MXenes片材可以與基體形成強(qiáng)的機(jī)械和化學(xué)結(jié)合，最終使得復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提高了116%。

除了作為增強(qiáng)材料或潤(rùn)濕促進(jìn)劑的可能應(yīng)用之外，MXenes還可以用于增強(qiáng)材料與主體基質(zhì)潤(rùn)濕不良的復(fù)合材料中，例如用于二氧化硅與聚合物或金屬基質(zhì)的潤(rùn)濕性不良。此外，二氧化硅納米顆粒和Ti?C?T?MXene納米片的組合在很大程度上提高了CF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。根據(jù)Guo等人報(bào)道，惰性表面玻璃CF的表面能可以從26.67 mJ ?m?2顯著提高到48.12 mJ m ?2，這反過來(lái)又導(dǎo)致與純基質(zhì)材料相比界面剪切強(qiáng)度增強(qiáng)了73.2%，如圖5所示。

Ding等人隨后對(duì)碳纖維的表面改性進(jìn)行了類似的研究。他們采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性Ti?C MXenes片材，并將其接枝到碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基體上。機(jī)械互鎖和強(qiáng)共價(jià)鍵將MXenes納米片均勻接枝到纖維上，導(dǎo)致界面剪切強(qiáng)度提高了78%。Ti?C改性和接枝碳纖維的示意圖如圖6所示。

III?總結(jié)與展望

在任何復(fù)合材料制造系統(tǒng)中，潤(rùn)濕性都是最重要的問題之一。給定填料與其相應(yīng)的基質(zhì)基質(zhì)材料之間的親和力直接影響界面或界面區(qū)域，從而影響許多物理性能，如機(jī)械或電氣性能。由于其疏水性，大多數(shù)增強(qiáng)納米材料在給定基質(zhì)中潤(rùn)濕性較差。這一結(jié)論已在石墨烯或石墨烯氧化物等常見2D材料經(jīng)常被證實(shí)。然而，研究表明，MXenes是一類親水性的新型2D納米材料，可以很容易地分散在各種溶劑/聚合物等其他材料中。由于親水性和表面功能可調(diào)性，該材料具有優(yōu)異的表面性能。同時(shí)，MXenes具有優(yōu)異的機(jī)械陶瓷性質(zhì)。相較于其他常見的納米材料較差的潤(rùn)濕性，上述兩個(gè)優(yōu)勢(shì)使得MXenes材料具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。

到目前為止，人們對(duì)MXenes的潤(rùn)濕性能知之甚少，因此，需要進(jìn)行廣泛的研究工作來(lái)充分理解這一主題的不同方面。由于目前只有零星的研究，文獻(xiàn)中報(bào)道的潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)較為分散。第一，我們可以想到的是，像MXenes這樣的2D納米材料的潤(rùn)濕性對(duì)包括表面不均勻性在內(nèi)的不同的參數(shù)很敏感，這需要我們進(jìn)一步研究。第二，應(yīng)進(jìn)一步研究污染物和合成工藝對(duì)MXenes潤(rùn)濕性的影響。第三，應(yīng)考慮MXenes層的均勻性，并估計(jì)其對(duì)接觸角的可能影響。第四，該領(lǐng)域仍存在許多未回答的問題，例如粒徑、端基類型和氧化程度對(duì)于潤(rùn)濕性的影響等。第五，MXenes中污染物甚至剩余的MAX相顆粒對(duì)于潤(rùn)濕性的影響是至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)污染物對(duì)浸潤(rùn)性的積極/消極影響進(jìn)行分類，并做出相應(yīng)的解釋。第六，MXenes層之間殘留的水分子的影響尚未得到充分研究，也沒有關(guān)于接觸時(shí)間對(duì)最終潤(rùn)濕角的影響的全面研究。第七，除了MXenes合成工藝對(duì)最終潤(rùn)濕性能有主要影響外，涂層技術(shù)和在給定基底上制備MXenes膜的效果似乎也會(huì)產(chǎn)生影響。給定底物MXenes系統(tǒng)之間的化學(xué)相互作用可能會(huì)極大地影響親和力，從而影響最終的物理性質(zhì)。最后，關(guān)于影響參數(shù)存在一些有爭(zhēng)議的討論。例如，許多研究工作報(bào)告粗糙度是接觸角滯后的主要原因，而在另一部分工作則認(rèn)為化學(xué)不均勻性可能是滯后的原因（或最重要的原因）。因此，需要進(jìn)一步研究，以開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量正確的接觸角，并使文獻(xiàn)中報(bào)道的差異合理化。

值得注意的是，我們尚未完全理解MXense在聚合物材料中的潤(rùn)濕性，且對(duì)于MXene在陶瓷或金屬中的潤(rùn)濕/親和性是未知的，據(jù)我們所知，還沒有文獻(xiàn)報(bào)道過對(duì)于此類系統(tǒng)潤(rùn)濕性的研究。由于石墨烯等常見增強(qiáng)劑的金屬潤(rùn)濕性差，因此，該體系分散性差、分布不均勻、團(tuán)聚、界面結(jié)合不完美和孔隙率等關(guān)鍵問題一直是該領(lǐng)域的瓶頸。與MXenes在聚合物基雜化/復(fù)合材料中的有前途的應(yīng)用一樣，由于MXenes既親水又機(jī)械堅(jiān)固，能夠增強(qiáng)先進(jìn)新型復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)特征。