【中國(guó)科學(xué)報(bào)】魔方“轉(zhuǎn)”出新材料
■本報(bào)記者 張楠
對(duì)于魔方，不僅數(shù)學(xué)家情有獨(dú)鐘，現(xiàn)在還成了材料學(xué)家的靈感之源。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)寧波材料所）研究員黃慶團(tuán)隊(duì)，通過(guò)“化學(xué)剪刀”輔助的化學(xué)插層策略，為精確調(diào)控MAX相和MXene材料的原子構(gòu)筑提供了新路徑，豐富了目標(biāo)物質(zhì)的元素組成和微觀結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)》。
而這一成果，來(lái)自曾被認(rèn)為“失敗”了的實(shí)驗(yàn)。
玩轉(zhuǎn)“魔方”的人
魔方是近年來(lái)頗為流行的益智玩具。那么，如果把每個(gè)方塊都標(biāo)識(shí)為一種元素，那么MAX相三元材料剛好可以由并列3個(gè)方塊組成，恰好就像一個(gè)3階魔方。
MAX相指一類(lèi)具有六方晶體結(jié)構(gòu)的非范德華層狀材料，其中M主要為前過(guò)渡族金屬，A主要為ⅢA和ⅣA主族元素，X為碳、氮或硼。
由于兼具了金屬材料和陶瓷材料的特性，MAX相材料作為一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料在高鐵電弓、高溫加熱元件、渦輪機(jī)葉片、高溫隔熱罩、耐磨涂層等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
在抽掉A位原子層后，MAX相材料衍生成為一種新型的、二維的碳氮化物材料MXene，具有與石墨烯相似的原子排列方式。其在光電器件、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁屏蔽、表面催化、分離膜等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大應(yīng)用潛力。
MAX相魔方 中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所供圖
黃慶曾經(jīng)在組織專(zhuān)業(yè)論壇時(shí)，給來(lái)自全球的參會(huì)者發(fā)了特制小禮物“MAX相魔方”，任由每個(gè)人發(fā)揮創(chuàng)造力，“沒(méi)準(zhǔn)誰(shuí)就打開(kāi)思路取得新突破了呢”。
黃慶就是一個(gè)打開(kāi)思路的“誰(shuí)”。他喜歡玩魔方，玩著玩著，從魔方的結(jié)構(gòu)找到靈感，提出了“MAX相魔方”的概念和研究方法：通過(guò)扭轉(zhuǎn)“魔方”的方式，可以創(chuàng)制出更多常規(guī)合成路徑無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新型MAX相和MXene材料。
二維？三維？“化學(xué)剪刀”來(lái)互逆
“魔方”上元素不斷變換組合給了材料研究無(wú)窮的想象力。
為了讓這些想象成為現(xiàn)實(shí)，黃慶團(tuán)隊(duì)提出了以“化學(xué)剪刀”輔助的MAX相和MXene（層狀過(guò)渡金屬碳/氮化合物）的結(jié)構(gòu)編輯策略。
這種策略首先轉(zhuǎn)動(dòng)“魔方”的中間方塊——利用路易斯酸熔鹽和還原性金屬，作為“化學(xué)剪刀”打開(kāi)MAX相或MXene的層間，然后將特定“方塊”放入“魔方”中間——引入金屬原子、陰離子等不同的客體插層物質(zhì)，來(lái)進(jìn)行層間插層。
“我們可以想象‘魔方’在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，元素或色塊不斷離開(kāi)原有位置，這代表著刻蝕的過(guò)程；新元素、新色塊重新組合成3階‘魔方’，這代表著同晶置換反應(yīng)過(guò)程?！秉S慶告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
通過(guò)結(jié)構(gòu)編輯的方法，一方面，可以得到一系列A位元素含有鋁、鎵等傳統(tǒng)元素，或鉍、銻、鐵、鉑等非傳統(tǒng)元素的MAX相材料。
而非傳統(tǒng)A位元素，如磁性元素和貴金屬等的引入，有希望將MAX材料的研究從高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域拓展到功能應(yīng)用領(lǐng)域，比如磁性、光電、催化、超導(dǎo)等等。
另一方面，通過(guò)制成端基為鹵素、硫?qū)俸偷逶氐腗Xene材料，有望促進(jìn)MXene在催化、儲(chǔ)能、電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用。
對(duì)于這份工作，《科學(xué)》審稿人認(rèn)為，“化學(xué)剪刀”方法實(shí)現(xiàn)了“不同MAX階段和MXene之間的相互轉(zhuǎn)化”，“是MXenes的突破”。
黃慶解釋說(shuō)：“以往研究只是從三維的MAX相到二維的MXene轉(zhuǎn)化，這次實(shí)現(xiàn)了二維向三維轉(zhuǎn)化的路線(xiàn)，為非范德華和范德華層狀材料的原子構(gòu)筑提供了新思路?！?/font>
在“失敗”中堅(jiān)守
“看來(lái)，得‘魔方’玩得好，MAX相才能做得好?！闭劶耙恢标P(guān)注的MAX相研究，中國(guó)科學(xué)院院士柴之芳笑言，“不過(guò)，科研人員能夠獨(dú)辟蹊徑，開(kāi)辟了二維MXene向三維MAX相轉(zhuǎn)換的路徑，歸根到底還是多年科研積累賦予的靈感。”
在2010年黃慶回國(guó)沒(méi)多久，柴之芳就開(kāi)始邀請(qǐng)這位“新人”做大會(huì)報(bào)告，直到2019年，黃慶才逐漸發(fā)表出MAX相的原創(chuàng)性成果，黃慶從沒(méi)想過(guò)放棄，柴之芳也始終給予學(xué)術(shù)上的支持和幫助。
研究能否得出一些成果，有時(shí)候靠運(yùn)氣，但沒(méi)有堅(jiān)持一定不行。
“在做置換試驗(yàn)的時(shí)候，由于MAX相結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，那么它的衍射峰就不會(huì)有太大變化，就很難觀察到表征變化，我們以為試驗(yàn)沒(méi)有成功?！秉S慶仍然很慶幸，“在后續(xù)工作中，很偶然的情況下我們進(jìn)行元素分析，才發(fā)現(xiàn)A位的元素已經(jīng)置換了?！?/font>
“今年全國(guó)兩會(huì)期間，代表委員熱議加強(qiáng)基礎(chǔ)研究?！辈裰纪瑯雍粲?，要為基礎(chǔ)研究提供更大更寬松的環(huán)境和支持，以及更多樣化的評(píng)價(jià)機(jī)制，以幫助科研人員能夠沉浸于長(zhǎng)周期研究，實(shí)現(xiàn)重大原始創(chuàng)新。
“這把‘剪刀’挺魔幻，但目前也還是階段性成果?！辈裰继岢隽烁嗥诖?，“‘剪刀’能否磨得再光亮一點(diǎn)？‘剪’出的材料性能否更穩(wěn)定、更豐富，甚至是否可能通過(guò)材料基因工程技術(shù)讓‘剪刀’具有自己的認(rèn)知功能，讓它‘活’起來(lái)？”他希望，未來(lái)能有更多的材料涌現(xiàn)出來(lái)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.add5901
?。ㄔ陌l(fā)布于2023年3月23日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》頭版）
【原文鏈接】https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/3/373758.shtm