人工超晶格由石墨烯等原子層通過逐層周期堆疊或順序外延生長構(gòu)建而成，已成為開發(fā)性能超越現(xiàn)有材料的新材料的多功能平臺。然而，所探索的超晶格主要是范德華（vdW）超晶格，受到弱界面耦合的約束。

2025年10月22日，北京航空航天大學(xué)楊樹斌團隊在Nature在線發(fā)表題為“Non-van der Waals superlattices of carbides and carbonitrides”的研究論文，該研究提出了一種有效的合成方案，該方案實現(xiàn)了碳化物和碳氮化物的非vdW超晶格家族，通過剛度介導(dǎo)的卷起策略在層之間進行氫鍵。

關(guān)鍵步驟是通過在MX板中產(chǎn)生金屬空位來定制源自MAX相的原子層的彎曲剛度，從而在快速彎曲變形下觸發(fā)它們有序卷起。與vdW超晶格不同，具有氫鍵的非vdW超晶格具有高濃度的電荷載流子（1022cm?3)。因此，超晶格表現(xiàn)出約30,000 S cm?1的顯著電導(dǎo)率，大約是同行的22倍。當(dāng)用于電磁干擾屏蔽時，最佳非vdW超晶格薄膜表現(xiàn)出 124 dB的顯著屏蔽效果，超過了任何具有類似厚度的已知合成材料。非vdW超晶格預(yù)計將顯著拓寬材料平臺，為人工堆疊系統(tǒng)的新發(fā)展提供可變成分和晶體結(jié)構(gòu)。

自從石墨烯掀起二維材料革命以來，科學(xué)家們便希望通過“層層堆疊”的人工超晶格，實現(xiàn)超越天然晶體的全新性能。然而，現(xiàn)有超晶格幾乎都依賴范德華（vdW）作用力連接層間結(jié)構(gòu)，這種弱耦合限制了電荷傳輸和能量調(diào)控，使得超晶格的潛能難以完全釋放。為實現(xiàn)真正意義上的強界面耦合結(jié)構(gòu)，研究者們嘗試突破vdW體系的束縛，但如何在非范德華（non-vdW）體系中構(gòu)建有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)、并兼顧高導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，仍是材料科學(xué)的一大難題。

超晶格材料是一類由石墨烯等二維材料按周期性堆疊構(gòu)筑的新體系，具有超導(dǎo)、鐵磁與拓撲絕緣態(tài)等一系列獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子器件、能量存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前主要集中于二維范德華超晶格體系，其層間依賴較弱的范德華作用，易受到環(huán)境波動的影響，且制備困難，嚴重制約了超晶格材料的發(fā)展與應(yīng)用。

非范德華超晶格的制備與形成機制（圖源自Nature）

該研究提出一種 “剛度調(diào)控卷曲（stiffness-mediated rolling-up）”策略，在MXene層中引入金屬空位，觸發(fā)原子層在溶液中自發(fā)卷曲，形成具有氫鍵相互作用的強耦合超晶格。這種獨特結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了高達3×10? S cm?1的超高電導(dǎo)率（約為常規(guī)MXene的22倍），還在電磁屏蔽中表現(xiàn)出124 dB的屏蔽效能——刷新了同厚度人工材料的世界紀錄。該研究首次將“氫鍵耦合”引入非vdW層狀體系，為二維材料的組裝提供了新的化學(xué)維度，也為電子、航空和通信領(lǐng)域的高性能材料開辟了全新方向。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09649-w