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A和A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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