魔方“转”出新材料 中科院宁波材料所新成果登上《Science》

　　随着时代发展，人类对多功能新材料的需求愈发迫切。

　　作为一种人工合成新材料，MAX相兼具金属材料和陶瓷材料的优良特性，在高铁电弓、高温隔热罩、耐磨涂层等领域有着良好的应用前景。不过，这类材料的制备一直是个难题。

　　中科院宁波材料所研究员黄庆带领团队提出一种新方法，可以像“扭转魔方”一般，创制出许多常规路径无法合成的新型MAX相和MXene材料。这不仅拓宽了这类材料的应用范围，还为材料合成带来了无穷想象力。北京时间3月17日，该研究成果正式发表在《Science》杂志上。

元素周期表汇总了组成MAX相和MXene的元素种类。浅蓝色为M位元素，土褐色为A位元素，黑色为X元素，绿色为端基元素，圈出元素为文章中已开展实验验证的元素。 图源：中科院宁波材料所

　　特别的人工合成材料

　　金属与陶瓷“强强联合”，会产生怎样的化学反应？

　　作为一种特别的人工合成材料，MAX相材料一直是材料领域的研究热点之一。黄庆介绍，M代表前过渡金属元素；A代表ⅢA和ⅣA主族元素；X代表碳、氮或硼。M、A、X中的三类元素经过不同排列组合，能构成各式各样的MAX相材料。

　　得益于独特的纳米层状晶体结构，这类材料既能像金属一样导电、导热，柔软易加工，具有较高的韧性；又像陶瓷一般，具有抗氧化、耐高温、耐辐射腐蚀等特性。这使其在高铁电弓、高温加热元件、涡轮机叶片、高温隔热罩、耐磨涂层等领域表现出极大的应用前景。

　　如若抽掉A元素，MAX相材料便会衍生为一种新型材料MXene。据了解，MXene的原子排列方式与石墨烯相似，在光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、表面催化、分离膜等领域极具应用潜力。

　　不过，在M、A、X三类原材料中，部分元素并不相容。让它们“和平共处”，并制备出具有特定功能的高质量材料，是个难题。

“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略示意图 图源：中科院宁波材料所

　　扭转魔方般制备新材料

　　化学元素的组分、结构，决定着材料的性能。

　　为了适应不同领域的应用需求，科学家们希望能精确调控MAX相和MXene材料的微观结构，制备出具有特定功能的新材料。

　　早在2019年，黄庆团队就提出了一种绿色制备技术，首次成功合成了锌MAX相材料。“之前的工作其实是用一把具有氧化性的‘化学剪刀’，刻蚀层间的元素，即裁减我们需要调控的元素。”黄庆说。

　　元素被刻蚀后，能否被重新组装？为了验证这个猜想，黄庆团队进行了多次实验。终于，他们发现金属这种还原性的“化学剪刀”可以将二维的MXene材料重新组装成三维的MAX相材料。

　　黄庆解释，MAX相材料如同积木块，由M、A、X三类元素从左往右依次拼接而成。过去，想要剪裁中间的A元素，科学家需要将三个积木块拆分，相当于粉碎整个化学结构，才能将居中的A元素“取”出来。

　　而他们提出的新策略类似于“扭转魔方”，微微扭转三层魔方的中间层，无需破坏原有结构，A元素便被剥离了。将代表新元素的魔方块再扭转到原有位置，MAX相材料就实现了“同晶置换”。

　　“这种方法能为很多材料的合成、材料结构的构筑提供一个新思路。”黄庆说。

黄庆在指导研究生 图源：中科院宁波材料所

　　为材料研究带来无穷想象力

　　化学“魔方”不断变换组合，为材料研究带来了无穷的想象力。

　　借助“化学剪刀”辅助的结构编辑方法，黄庆团队制备出了一系列常规方法无法合成的新型MAX相材料。

　　其中，非传统A位元素的引入，如磁性元素和贵金属等，有望将其从高温结构领域拓展到功能应用领域，如磁性、光电、催化、超导等。

　　采用该方法，黄庆团队还得到了一系列新型MXene材料，有望促进MXene在催化、储能、电磁屏蔽等领域的进一步应用。

　　“这为材料合成打开了一条新的道路，是一个方向性的成功。”中国科学院院士、中科院宁波材料所先进能源材料工程实验室首席科学家柴之芳解释，这种方法，如同根据每个人的“口味”制作三明治。两片面包中，可以添加不同的食材，如鸡肉、鱼片、生菜等，让大家各取所需。

　　“很多备受关注的重要材料都可以尝试用这种方法合成，我相信它在未来受到的关注和应用面会越来越广。”黄庆说。