魔方“轉”出新材料

誕生于工美學院的魔方，不僅數學家對之情有獨鐘，現在，材料學家也因為魔方找到研究思路。

中科院寧波材料技術與工程研究所（簡稱寧波材料所）黃慶團隊，通過以“化學剪刀”輔助的化學插層策略，為精確調控MAX相和MXene材料的原子構筑提供新路徑，豐富了目標物質的元素組成和微觀結構。

3月17日，相關研究以《“化學剪刀”輔助的層狀過渡金屬碳化物的結構編輯策略》為題發表于《科學》，寧波材料所為第一單位和通訊單位。而這個成果，來自原先被認為“失敗”的一批試驗。

玩轉“魔方”的人

魔方是近年來頗為流行的益智玩具。那么，如果把每個方塊都標識為一種元素，那么MAX相三元材料剛好可以由并列3個方塊組成，恰好就像一個3階魔方。

MAX相（M_n+1AX_n），指一類具有六方晶體結構的非范德華層狀材料，其中M主要為前過渡族金屬，A主要為ⅢA和ⅣA主族元素，X為碳、氮或硼。

由于兼具了金屬材料和陶瓷材料的特性，MAX相材料作為一種優異的結構材料在高鐵電弓、高溫加熱元件、渦輪機葉片、高溫隔熱罩、耐磨涂層等應用領域表現出廣闊的應用前景。

在抽掉A位原子層后，MAX相材料衍生成為一種新型的、二維的碳氮化物材料MXene（M_n+1X_nT_x，T為表面端基），具有與石墨烯相似的原子排列方式。其在光電器件、電化學儲能、電磁屏蔽、表面催化、分離膜等領域展現出極大應用潛力。

MAX相魔方    中科院寧波材料技術與工程研究所供圖

黃慶曾經在組織專業論壇時，給來自全球的參會者發了特制小禮物“MAX相魔方”，任由每個人發揮創造力，“沒準誰就打開思路取得新突破了呢”。

黃慶就是一個打開思路的“誰”。他喜歡玩魔方，玩著玩著，從魔方的結構找到靈感，提出了“MAX相魔方”的概念和研究方法：通過扭轉“魔方”的方式，可以創制出更多常規合成路徑無法實現的新型MAX相和MXene材料。

二維？三維？“化學剪刀”來互逆

“魔方”上元素不斷變換組合給了材料研究無窮的想象力。

為了讓這些想象成為現實，黃慶團隊提出了以“化學剪刀”輔助的MAX相和MXene（層狀過渡金屬碳/氮化合物）的結構編輯策略。

這種策略首先轉動“魔方”的中間方塊——利用路易斯酸熔鹽和還原性金屬，作為“化學剪刀”打開MAX相或MXene的層間，然后將特定“方塊”放入“魔方”中間——引入金屬原子、陰離子等不同的客體插層物質，來進行層間插層。

“我們可以想象‘魔方’在扭轉過程中，元素或色塊不斷離開原有位置，這代表著刻蝕的過程；新元素、新色塊重新組合成3階‘魔方’，這代表著同晶置換反應過程。”黃慶告訴《中國科學報》。

通過結構編輯的方法，一方面，可以得到一系列A位元素含有鋁、鎵等傳統元素，或鉍、銻、鐵、鉑等非傳統元素的MAX相材料。

而非傳統A位元素，如磁性元素和貴金屬等的引入，有希望將MAX材料的研究從高溫結構領域拓展到功能應用領域，比如磁性、光電、催化、超導等等。

另一方面，通過制成端基為鹵素、硫屬和氮族元素的MXene材料，有望促進MXene在催化、儲能、電磁屏蔽等領域的應用。

對于這份工作，《科學》審稿人認為，“化學剪刀”方法實現了“不同MAX階段和MXene之間的相互轉化”，“是MXenes的突破”。

黃慶解釋說：“以往研究只是從三維的MAX相到二維的MXene轉化，這次實現了二維向三維轉化的路線，為非范德華和范德華層狀材料的原子構筑提供了新思路。”

在“以為試驗沒有成功”中堅守

“看來，得‘魔方’玩得好，MAX相才能做得好。”談及一直關注的MAX相研究，中國科學院院士柴之芳笑言，“不過，科研人員能夠獨辟蹊徑，開辟了二維MXene向三維MAX相轉換的路徑，歸根到底還是多年科研積累成了本能。”

在2010年黃慶回國沒多久，柴之芳就開始邀請這位“新人”做大會報告，直到2019年，黃慶才逐漸發表出MAX相的原創性成果，黃慶從沒想過放棄，柴之芳也始終給予學術上的支持和幫助。

研究能否得出一些成果，有時候靠運氣，但沒有堅持一定不行。

“在做置換試驗的時候，由于MAX相結構沒有發生變化，那么它的衍射峰就不會有太大變化，就很難觀察到表征變化，我們以為試驗沒有成功。”黃慶仍然很慶幸，“在后續工作中，很偶然的情況下我們進行元素分析，才發現A位的元素已經置換了。”

“今年全國兩會期間，代表委員熱議加強基礎研究。”柴之芳同樣呼吁，要為基礎研究提供更大更寬松的環境和支持，以及更多樣化的評價機制，以幫助科研人員能夠沉浸于長周期研究，實現重大原始創新。

“這把‘剪刀’挺魔幻，但目前也還是階段性成果。”柴之芳提出了更多期待，“‘剪刀’能否磨得再光亮一點？‘剪’出的材料性能否更穩定、更豐富，甚至是否可能通過材料基因工程技術讓‘剪刀’具有自己的認知功能，讓它‘活’起來？”會涌現出更多精彩的材料發現。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.add5901