【潮新聞】魔方“轉(zhuǎn)”出新材料 中科院寧波材料所新成果登上《Science》
潮新聞 謝履冰 涂佳煜 實(shí)習(xí)生 蔣一晨
隨著時(shí)代發(fā)展，人類對(duì)多功能新材料的需求愈發(fā)迫切。
作為一種人工合成新材料，MAX相兼具金屬材料和陶瓷材料的優(yōu)良特性，在高鐵電弓、高溫隔熱罩、耐磨涂層等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。不過，這類材料的制備一直是個(gè)難題。
中科院寧波材料所研究員黃慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出一種新方法，可以像“扭轉(zhuǎn)魔方”一般，創(chuàng)制出許多常規(guī)路徑無法合成的新型MAX相和MXene材料。這不僅拓寬了這類材料的應(yīng)用范圍，還為材料合成帶來了無窮想象力。北京時(shí)間3月17日，該研究成果正式發(fā)表在《Science》雜志上。
元素周期表匯總了組成MAX相和MXene的元素種類。淺藍(lán)色為M位元素，土褐色為A位元素，黑色為X元素，綠色為端基元素，圈出元素為文章中已開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的元素。 圖源：中科院寧波材料所
特別的人工合成材料
金屬與陶瓷“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，會(huì)產(chǎn)生怎樣的化學(xué)反應(yīng)？
作為一種特別的人工合成材料，MAX相材料一直是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。黃慶介紹，M代表前過渡金屬元素；A代表ⅢA和ⅣA主族元素；X代表碳、氮或硼。M、A、X中的三類元素經(jīng)過不同排列組合，能構(gòu)成各式各樣的MAX相材料。
得益于獨(dú)特的納米層狀晶體結(jié)構(gòu)，這類材料既能像金屬一樣導(dǎo)電、導(dǎo)熱，柔軟易加工，具有較高的韌性；又像陶瓷一般，具有抗氧化、耐高溫、耐輻射腐蝕等特性。這使其在高鐵電弓、高溫加熱元件、渦輪機(jī)葉片、高溫隔熱罩、耐磨涂層等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。
如若抽掉A元素，MAX相材料便會(huì)衍生為一種新型材料MXene。據(jù)了解，MXene的原子排列方式與石墨烯相似，在光電器件、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁屏蔽、表面催化、分離膜等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。
不過，在M、A、X三類原材料中，部分元素并不相容。讓它們“和平共處”，并制備出具有特定功能的高質(zhì)量材料，是個(gè)難題。
“化學(xué)剪刀”輔助的層狀過渡金屬碳化物的結(jié)構(gòu)編輯策略示意圖 圖源：中科院寧波材料所
扭轉(zhuǎn)魔方般制備新材料
化學(xué)元素的組分、結(jié)構(gòu)，決定著材料的性能。
為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，科學(xué)家們希望能精確調(diào)控MAX相和MXene材料的微觀結(jié)構(gòu)，制備出具有特定功能的新材料。
早在2019年，黃慶團(tuán)隊(duì)就提出了一種綠色制備技術(shù)，首次成功合成了鋅MAX相材料?！爸暗墓ぷ髌鋵?shí)是用一把具有氧化性的‘化學(xué)剪刀’，刻蝕層間的元素，即裁減我們需要調(diào)控的元素?！秉S慶說。
元素被刻蝕后，能否被重新組裝？為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，黃慶團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。終于，他們發(fā)現(xiàn)金屬這種還原性的“化學(xué)剪刀”可以將二維的MXene材料重新組裝成三維的MAX相材料。
黃慶解釋，MAX相材料如同積木塊，由M、A、X三類元素從左往右依次拼接而成。過去，想要剪裁中間的A元素，科學(xué)家需要將三個(gè)積木塊拆分，相當(dāng)于粉碎整個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)，才能將居中的A元素“取”出來。
而他們提出的新策略類似于“扭轉(zhuǎn)魔方”，微微扭轉(zhuǎn)三層魔方的中間層，無需破壞原有結(jié)構(gòu)，A元素便被剝離了。將代表新元素的魔方塊再扭轉(zhuǎn)到原有位置，MAX相材料就實(shí)現(xiàn)了“同晶置換”。
“這種方法能為很多材料的合成、材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑提供一個(gè)新思路。”黃慶說。
黃慶在指導(dǎo)研究生 圖源：中科院寧波材料所
為材料研究帶來無窮想象力
化學(xué)“魔方”不斷變換組合，為材料研究帶來了無窮的想象力。
借助“化學(xué)剪刀”輔助的結(jié)構(gòu)編輯方法，黃慶團(tuán)隊(duì)制備出了一系列常規(guī)方法無法合成的新型MAX相材料。
其中，非傳統(tǒng)A位元素的引入，如磁性元素和貴金屬等，有望將其從高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域拓展到功能應(yīng)用領(lǐng)域，如磁性、光電、催化、超導(dǎo)等。
采用該方法，黃慶團(tuán)隊(duì)還得到了一系列新型MXene材料，有望促進(jìn)MXene在催化、儲(chǔ)能、電磁屏蔽等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
“這為材料合成打開了一條新的道路，是一個(gè)方向性的成功?！敝袊茖W(xué)院院士、中科院寧波材料所先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家柴之芳解釋，這種方法，如同根據(jù)每個(gè)人的“口味”制作三明治。兩片面包中，可以添加不同的食材，如雞肉、魚片、生菜等，讓大家各取所需。
“很多備受關(guān)注的重要材料都可以嘗試用這種方法合成，我相信它在未來受到的關(guān)注和應(yīng)用面會(huì)越來越廣?！秉S慶說。
?。ㄔ陌l(fā)布于2023年3月17日《浙江日?qǐng)?bào)》潮新聞客戶端）
【原文鏈接】https://tianmunews.com/news.html?id=2422109