魔方“转”出新材料
MAX相魔方。宁波材料所供图
对于魔方，不仅数学家情有独钟，现在还成了材料学家的灵感之源。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所（简称宁波材料所）研究员黄庆团队，通过“化学剪刀”辅助的化学插层策略，为精确调控MAX相和MXene材料的原子构筑提供了新路径，丰富了目标物质的元素组成和微观结构。相关研究近日发表于《科学》。
而这一成果，来自曾被认为“失败”了的实验。
玩转“魔方”的人
魔方是近年来颇为流行的益智玩具。如果把每个方块都标识为一种元素，那么MAX相三元材料刚好可以由并列的3个方块组成，恰好就像一个3阶魔方。
MAX相指一类具有六方晶体结构的非范德华层状材料，其中M主要为前过渡族金属，A主要为ⅢA和ⅣA主族元素，X为碳、氮或硼。
由于兼具金属材料和陶瓷材料的特性，MAX相材料作为一种优异的结构材料在高铁电弓、高温加热元件、涡轮机叶片、高温隔热罩、耐磨涂层等应用领域展现出广阔前景。
在抽掉A位原子层后，MAX相材料衍生为一种新型的、二维的碳氮化物材料MXene，具有与石墨烯相似的原子排列方式。其在光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、表面催化、分离膜等领域有极大应用潜力。
黄庆曾经在组织专业论坛时，给来自全球的参会者发了特制小礼物“MAX相魔方”，任由每个人发挥创造力。“没准谁就打开思路取得新突破了呢。”
黄庆就是那个打开思路的“谁”。他喜欢玩魔方，玩着玩着，从魔方的结构找到灵感，提出了“MAX相魔方”的概念和研究方法，通过扭转“魔方”的方式，可以创制出更多常规合成路径无法实现的新型MAX相和MXene材料。
二维？三维？“化学剪刀”来互逆
“魔方”上元素不断变换组合给了材料研究无穷的想象力。为了让这些想象成为现实，黄庆团队提出了以“化学剪刀”辅助的MAX相和MXene的结构编辑策略。
这种策略需要首先转动“魔方”的中间方块——利用路易斯酸熔盐和还原性金属作为“化学剪刀”，打开MAX相或MXene的层间，然后将特定“方块”放入“魔方”中间——引入金属原子、阴离子等不同的客体插层物质，来进行层间插层。
“我们可以想象‘魔方’在扭转过程中，元素或色块不断离开原有位置，这代表着刻蚀的过程；新元素、新色块重新组合成3阶‘魔方’代表着同晶置换反应过程。”黄庆告诉《中国科学报》。
通过结构编辑的方法，研究人员一方面可以得到一系列A位元素含有铝、镓等传统元素或者铋、锑、铁、铂等非传统元素的MAX相材料。而非传统A位元素，如磁性元素和贵金属等的引入，则有望将MAX相材料的研究从高温结构领域拓展到功能应用领域，比如磁性、光电、催化、超导等。
另一方面，通过制成端基为卤素、硫属和氮族元素的MXene材料，有望促进MXene在催化、储能、电磁屏蔽等领域的应用。
《科学》审稿人认为，“化学剪刀”方法实现了“不同MAX阶段和MXene之间的相互转化，是MXene的突破”。
黄庆解释说：“以往的研究只是从三维的MAX相向二维的MXene转化，这次实现了二维向三维转化，为非范德华和范德华层状材料的原子构筑提供了新思路。”
在“失败”中坚守
“看来‘魔方’玩得好，MAX相才能做得好。”谈及一直关注的MAX相研究，中国科学院院士柴之芳笑言，“不过，科研人员能够独辟蹊径，开辟二维MXene向三维MAX相转换的路径，归根到底还是多年科研积累赋予的灵感。”
2010年，黄庆回国没多久，柴之芳就邀请这位“新人”作会议报告。直到2019年，黄庆才发表MAX相的原创性成果。黄庆从未想过放弃，柴之芳也始终给予他学术上的支持和帮助。
研究能否取得成果，有时靠运气，但不坚持一定没有收获。
“在做置换实验的时候，由于MAX相结构没有发生变化，它的衍射峰不会有太大变化，很难观察到表征的改变。我们以为实验没有成功。”黄庆很庆幸，“在后续工作中，偶然的情况下我们进行元素分析，才发现A位的元素已经置换了。”
“今年全国两会期间，代表委员热议加强基础研究。”柴之芳同样呼吁，要为基础研究提供更大的支持和更宽松的环境，以及更多元化的评价机制，以帮助科研人员沉浸于长周期研究，实现重大原始创新。
“这把‘剪刀’挺魔幻，但目前还是阶段性成果。”柴之芳有更多的期待，“‘剪刀’能否磨得再光亮一点？‘剪’出的材料性能否更稳定、更丰富？是否可以通过材料基因工程技术让‘剪刀’具有认知功能，让它‘活’起来？”
他希望，未来能有更多的材料涌现出来。
来源：中国科学报
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