近日，中国科学技术大学仿生界面材料科学全国重点实验室程群峰教授团队在《Nature Reviews Materials》在线发表题为“ Large-scale, mechanically robust bioinspired confined MXene nanocomposites”的综述论文。文章将自然界中强韧一体化的鲍鱼壳珍珠层"砖–泥"结构借鉴到MXene纳米片的组装过程中，系统阐述了在湿法组装过程中产生的纳米孔隙问题，讨论了孔隙缺陷的成因和三维表征方法、针对孔隙问题提出了多种仿生限域组装策略，以及热拉伸纺丝、卷对卷刮刀涂布等可量产工艺，并总结了相应材料在热管理、电磁屏蔽、骨再生、人工肌肉等方向的研究进展。

通过把鲍鱼壳珍珠层限域组装的"砖–泥"结构借鉴到MXene纳米复合材料体系，改善其宏观力学与电磁屏蔽性能。鲍鱼壳珍珠层本身是限域组装的产物，其中有机基体作为模板，调控CaCO₃片晶在层间限域空间内成核与生长，形成致密的层状结构；片层之间通过矿桥结合、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。受此启发，MXene纳米片与有机分子在限域空间内构建高度有序的“砖-泥”结构，并进一步形成宏观纤维或薄膜。仿生限域组装的MXene纳米复合薄膜拉伸强度可达GPa级、杨氏模量接近100 GPa，相应的纤维和块体材料性能也明显高于传统制备方法，力学和电磁屏蔽性能同时得到改善。因此，该类材料在航空航天、柔性电子等方向具有广阔的应用前景。

图1. 仿生限域组装策略：珍珠层启发的"砖–泥"结构与MXene纳米复合材料综合性能

MXene自2011年报道以来，由于其金属级电导率、丰富的表面端基和较高的本征力学性能，已成为最受关注的二维纳米材料之一。但单层纳米片在被组装成复合材料时，其宏观力学性能与MXene纳米片本征值之间存在数量级差距，这一差距主要来自纳米尺度的层间孔隙。在湿化学组装法的干燥过程中，溶剂蒸发引起的毛细力会使MXene纳米片发生皱褶、错位，并在层间留下大量纳米至微米尺度的孔隙。

然而，孔隙问题在以往研究中常被忽略。一方面，MXene纳米片的本征力学性能远远超过聚合物基体，导致传统电子显微镜观察到的断口表面呈现致密的片层形态。另一方面，适用于传统复合材料的孔隙表征技术（micro-CT）的分辨率不足以表征纳米至亚微米尺度的孔隙。借助FIB-SEMT三维断层重构与nano-CT等三维表征手段，研究者首次将层间孔隙以三维形式可视化，并定量给出其体积分布（约2×10⁻⁵到1.5 μm³）和总孔隙率（约5.4%），为MXene纳米复合材料存在孔隙提供了直接证据，为消除孔隙致密化和改善MXene纳米复合材料的宏观力学性能奠定基础。

图2. MXene纳米复合材料的湿法组装过程与层间孔隙的三维表征（FIB-SEMT、nano-CT）

受鲍鱼壳珍珠层"砖–泥"互锁结构的启发，本综述将现有应对孔隙缺陷的工作归纳为三类策略。第一类是协同界面作用。在相邻MXene纳米片之间引入多种作用力（氢键、离子键、共价键等），提升层间结合强度和应力传递效率。第二类是纳米填充策略。利用0D纳米颗粒、1D纳米线或2D纳米片直接填充层间孔隙，构建致密互锁结构。例如，0D液态金属纳米颗粒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电学性能。

图3. 协同界面作用与纳米填充策略示意图及典型结构表征

图4. 限域组装策略：拉伸诱导取向法与纳米限域水诱导组装法

与前两类消除孔隙致密化策略不同，这两种方法均为被动策略，它们侧重于修复结构来降低孔隙率以增强载荷传递，而非防止孔隙形成。相比之下，限域组装策略则针对孔隙形成的根本原因，在湿法组装的早期通过外加拉应力或纳米限域水抑制毛细收缩，从源头减少孔隙的生成。例如，拉伸诱导取向法是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。纳米限域水诱导组装法利用层间分布的水分子构建氢键网络，得到面内各向同性的π-π交联MXene–石墨烯（πBMG）膜，孔隙率3.87%、拉伸强度1.87 GPa。

在规模化制造方面，真空抽滤、自然干燥等方法可以得到厘米尺度的致密层状结构，但不易工业化。本综述介绍了两类已实现连续制备的工艺路线。

图5. MXene复合纤维与薄膜的规模化制备路线

一是热拉伸技术，通过多维应力场实现MXene纤维的高取向与致密结构。将MXene湿法纺丝纤维穿过聚合物空心管，在160–200 °C下热拉伸，由聚合物管的径向收缩对MXene纳米片施加径向压应力，轴向拉伸同时促进纳米片取向，得到皮–芯结构的MXene复合纤维，可在常规纺织设备上连续制备至百米量级。

二是卷对卷刮刀涂布技术。将MXene–丝胶蛋白溶液经连续刮涂得到氢键交联薄膜（S-HBM），再浸入ZnCl₂溶液实现Zn²⁺离子交联，构建氢键–离子键协同的MXene纳米复合薄膜（S-SBM）。限域组装抑制了干燥过程中的毛细收缩：S-SBM湿态到干态的取向因子仅下降0.7%（0.893到0.887），孔隙率由9.74%降到4.26%。其拉伸强度、韧性、杨氏模量分别为755 MPa、17.4 MJ m⁻³、32.9 GPa，较S-HBM分别提高1.37、1.35、1.76倍。该工艺目前可连续制备宽度25 cm、米级长度的薄膜。

本综述还总结了仿生限域MXene纳米复合材料在热管理、电磁屏蔽、成骨再生、人工肌肉等领域的最新进展，并介绍了它们的性能和应用。在热管理领域，高度取向的MXene纳米片形成连续的声子输运通道，使薄膜面内热导率超过40 W m⁻¹ K⁻¹；Ti₃C₂T_x的红外发射率约为0.19，可用于低红外特征伪装、被动辐射调温和柔性焦耳加热等场景。

图6. 电磁屏蔽性能对比、机制示意以及骨再生应用

在电磁屏蔽领域，限域组装得到的致密、高取向层状结构与自由空间形成较高的阻抗失配，形成以反射主导、并伴随层间多重散射–吸收的屏蔽机制。例如，利用0D液态金属纳米颗粒填充孔隙制备的仿生限域MXene纳米复合薄膜(LBM)其厚度归一化屏蔽效能（SE/t）达23,600 dB mm⁻¹，高于铜箔（约7,000 dB mm⁻¹）和铝箔（约8,250 dB mm⁻¹）。仿生限域MXene纳米复合纤维编织成织物后在弯折、扭转、压缩等条件下仍可保持95%以上的屏蔽性能。

在成骨再生领域，仿生限域MXene纳米复合薄膜将Ti₃C₂T_x的光热转换、抗氧化与抗菌能力，与丝胶蛋白的生物相容性以及Zn²⁺的成骨调控作用结合起来。其抗氧化、抗菌、对巨噬细胞由M1向M2极化的调控以及光热促血管化等效应共同作用，在8周内实现77.4%的引导骨再生效率和692 mg cm⁻³的骨矿密度，高于商用引导骨再生膜（钛膜28.0%、Bio-Gide 20.5%、Gore-Tex 9.6%，骨矿密度约200 mg cm⁻³）。

在人工肌肉领域，MXene–纤维素纳米纤维人工肌肉纤维具有径向取向的MXene纳米片和层间可控孔隙。当温度由25 °C升至125 °C，MXene表面端基（–OH、–O）与CNF间的氢键网络发生可逆重排，引起层间间距和孔隙率同步收缩，宏观上产生21.0%的拉伸应变。仿生机械臂能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. MXene–CNF人工肌肉纤维的结构、驱动机制与循环稳定性

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。本综述针对以下几个方面进行展望。一是MXene纳米片的剥离效率与片径仍有改进空间。目前HF和LiF–HCl路线产率较低、流程较长；近年发展的石墨辅助球磨剥离效率达97%，但所得片径多在2–4 μm。按Jäger–Fratzl砖–泥模型，更大的片径有利于延长应力传递路径，因此发展面向大尺寸、低缺陷MXene的绿色规模化剥离技术值得关注。二是MXene纳米复合材料的孔隙功能化也是未来亟待探索的研究方向。例如，通过热退火引入的可控孔隙可将MXene膜的屏蔽效能从61 dB提升到116 dB，说明在合适的结构设计下孔隙可以通过优化阻抗匹配、延长传播路径和增强界面极化贡献吸收主导的屏蔽性能。将结构化孔隙与电化学嵌入、刺激响应聚合物等动态调控手段结合，有望发展出按需可调控的MXene纳米复合材料。三是限域水的动力学和孔隙的形成涉及多尺度耦合过程，将机器学习加速的原子级模拟与高通量机器人合成、主动学习结合，可在材料组合、工艺参数等大空间内加速优化。

李雨宸和张欣瑞为本文共同第一作者，程群峰教授为通讯作者。本工作得到国家杰出青年科学基金（52125302）、国家自然科学基金（52550002）、国家重点研发计划（2021YFA0715700）、苏州实验室开放研究基金（SZLAB-1108-2024-ZD002）、新基石科学基金会"科学探索奖"、苏州市仿生界面科学重点实验室基金（SZ2024004）以及中国科学技术大学苏州高等研究院启动经费的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41578-026-00918-2

（纳米科学技术学院、仿生界面材料科学全国重点实验室、科研部）