魔方“转”出新材料

诞生于工美学院的魔方，不仅数学家对之情有独钟，现在，材料学家也因为魔方找到研究思路。

中科院宁波材料技术与工程研究所（简称宁波材料所）黄庆团队，通过以“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新路径，丰富了目标物质的元素组成和微观结构。

3月17日，相关研究以《“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略》为题发表于《科学》，宁波材料所为第一单位和通讯单位。而这个成果，来自原先被认为“失败”的一批试验。

玩转“魔方”的人

魔方是近年来颇为流行的益智玩具。那么，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3个方块组成，恰好就像一个3阶魔方。

MAX相（M_n+1AX_n），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。

由于兼具了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表现出广阔的应用前景。

在抽掉A位原子层后，MAX相材料衍生成为一种新型的、二维的碳氮化物材料MXene（M_n+1X_nT_x，T为表面端基），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、分离膜等领域展现出极大应用潜力。

MAX相魔方    中科院宁波材料技术与工程研究所供图

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”。

黄庆就是一个打开思路的“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（层状过渡金属碳/氮化合物）的结构编辑策略。

这种策略首先转动“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’，这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，一方面，可以得到一系列A位元素含有铝、镓等传统元素，或铋、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，有希望将MAX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。

对于这份工作，《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MXenes的突破”。

黄庆解释说：“以往研究只是从三维的MAX相到二维的MXene转化，这次实现了二维向三维转化的路线，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“以为试验没有成功”中坚守

“看来，得‘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，开辟了二维MXene向三维MAX相转换的路径，归根到底还是多年科研积累成了本能。”

在2010年黄庆回国没多久，柴之芳就开始邀请这位“新人”做大会报告，直到2019年，黄庆才逐渐发表出MAX相的原创性成果，黄庆从没想过放弃，柴之芳也始终给予学术上的支持和帮助。

研究能否得出一些成果，有时候靠运气，但没有坚持一定不行。

“在做置换试验的时候，由于MAX相结构没有发生变化，那么它的衍射峰就不会有太大变化，就很难观察到表征变化，我们以为试验没有成功。”黄庆仍然很庆幸，“在后续工作中，很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更宽松的环境和支持，以及更多样化的评价机制，以帮助科研人员能够沉浸于长周期研究，实现重大原始创新。

“这把‘剪刀’挺魔幻，但目前也还是阶段性成果。”柴之芳提出了更多期待，“‘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，甚至是否可能通过材料基因工程技术让‘剪刀’具有自己的认知功能，让它‘活’起来？”会涌现出更多精彩的材料发现。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.add5901