【甬派】魔方“转”出新材料！中科院宁波材料所成果首登《科学》
甬派客户端记者 张凯凯 通讯员 高晓静
一把“化学剪刀”，将MAX相材料如同吐司面包般“切片”，进而实现中间层“金属夹心”的自由替换——这正是中科院宁波材料所先进能源工程材料实验室主任、研究员黄庆领衔的科研团队，于近日取得的最新成果。
3月17日，该成果以《“化学剪刀”辅助层状材料结构编辑》为题，登上国际顶尖科学杂志《Science》（中文名《科学》）。这是中科院宁波材料所首次在《Science》亮相，也标志着宁波在材料基础研究领域攀上了新高峰。
黄庆团队设计的魔方，图中Ti、Al、C三种元素即可组成一种MAX相材料。
在黄庆领衔的科研团队里，几乎人手一个三阶魔方。只是与市面上常见的魔方不同，科研团队“定制”的三阶魔方，表面并非只有纯净的色彩——
每一个魔方色块都标上了一种元素，来回转动间，M代表的前过渡族金属、A代表的ⅢA和ⅣA主族元素、X代表的碳、氮、硼元素，各选一种排列组合，即可形成一种分子式为Mn+1AXn的MAX相材料。
巧的是，MAX相材料的微观结构也与魔方类似。
MAX相材料中，三种元素呈层状排布。
在晶格示意图中，记者看到，M、A、X位的三种元素呈层状排布，其八面体共棱的连接方式，在保留金属特征的同时，也让MAX相材料具备了密度更低、稳定性更高、刚度更高的“两低一高”优势，进而成为下一轮“超级材料”的新代表。
不过，放在过去，并非所有魔方转出的“超级材料”都能在现实中得到。
通常，MAX相材料由物理冶金方式产生。以Ti2AlC为例，是将钛金属、铝金属和碳粉等原始材料放在一起烧，依靠高温和“自然规律”得到最终产物。
但如果想要将铝金属换成铁、钯、金等非传统元素，仅靠高温则无法实现。
“这是因为在高温条件下，铁、钯、金等非传统元素不易与‘共棱八面体骨架’形成结构，而是遵从自然规律，形成钛铁、钛钯、钛金等二元化合物。”黄庆解释道。
图2 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.png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，圈出元素为已开展实验验证的元素。
既然仅靠“自然规律”无法制备，那么便对已有MAX相材料进行“切割手术”，再将目标金属置换进去！
发现这一思路值得一试后，黄庆当即带领科研团队从氧化还原反应入手，引入路易斯酸熔盐和还原性金属作为“化学剪刀”，力图“切开”MAX相材料的层间。
事实证明，这一思路完全可行，只不过需要多一丝“细心”作为敲门砖——据黄庆回忆，从猜想到验证并不漫长，但成功险些和科研团队“擦肩而过”。
在对实验产物进行衍射分析时，科研人员发现其晶胞结构参数并未和先前发生太大变化，于是下意识以为实验并没有成功。
直到后来一次偶然的元素分析，团队成员才惊觉，原来原化合物中的A位元素早已被彻底替换，只是因为M、X位元素形成的“共棱八面体骨架”太过稳定，个中变化才没有在科研人员面前“显山露水”。
“成败就在那一丝细节之中。”黄庆坦言，这正是科研的困难之处，所谓“细节是魔鬼”，这一刻猜想得到验证的喜悦，值得和经验反思牢牢捆绑在一起。
“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，下图为黄庆研究员在研究过程中留下的草图。
“从思路上进行突破，提出完全一种传统没有的、颠覆性的技术，这正是基础研究的价值所在。”甬籍院士、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这样评价该技术。
他告诉记者，这把“化学剪刀”是魔幻的，更代表了一种方向、一条道路，目之所及天地宽。
“一方面，这把‘化学剪刀’能让无数以往只存在分子式中的超级材料走进现实，广泛应用在电磁屏蔽、电化学储能、核材料、催化等领域，带来极大社会价值；另一方面，‘化学剪刀’的作用范围并非只有MAX相材料这个‘点’，而是更广阔的层状材料方向。其背后蕴含的突破定势、交叉融合的思想，一定也是受到《科学》杂志青睐的原因之一。”柴之芳说。
（原文发布于2023年3月17日《宁波日报》甬派新闻客户端）