作者:张楠 来源:宁波材料所 发布时间:2023/3/19 14:49:35
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魔方“转”出新材料

 

诞生于工美学院的魔方,不仅数学家对之情有独钟,现在,材料学家也因为魔方找到研究思路。

中科院宁波材料技术与工程研究所(简称宁波材料所)黄庆团队,通过以“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新路径,丰富了目标物质的元素组成和微观结构。

3月17日,相关研究以《“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略》为题发表于《科学》,宁波材料所为第一单位和通讯单位。而这个成果,来自原先被认为“失败”的一批试验。

玩转“魔方”的人

魔方是近年来颇为流行的益智玩具。那么,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3个方块组成,恰好就像一个3阶魔方。

MAX相(Mn+1AXn),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ⅢA和ⅣA主族元素,X为碳、氮或硼。

由于兼具了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表现出广阔的应用前景。

在抽掉A位原子层后,MAX相材料衍生成为一种新型的、二维的碳氮化物材料MXene(Mn+1XnTx,T为表面端基),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、分离膜等领域展现出极大应用潜力。

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MAX相魔方    中科院宁波材料技术与工程研究所供图

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”。

黄庆就是一个打开思路的“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(层状过渡金属碳/氮化合物)的结构编辑策略。

这种策略首先转动“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’,这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,一方面,可以得到一系列A位元素含有铝、镓等传统元素,或铋、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,有希望将MAX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。

对于这份工作,《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MXenes的突破”。

黄庆解释说:“以往研究只是从三维的MAX相到二维的MXene转化,这次实现了二维向三维转化的路线,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“以为试验没有成功”中坚守

“看来,得‘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,开辟了二维MXene向三维MAX相转换的路径,归根到底还是多年科研积累成了本能。”

在2010年黄庆回国没多久,柴之芳就开始邀请这位“新人”做大会报告,直到2019年,黄庆才逐渐发表出MAX相的原创性成果,黄庆从没想过放弃,柴之芳也始终给予学术上的支持和帮助。

研究能否得出一些成果,有时候靠运气,但没有坚持一定不行。

“在做置换试验的时候,由于MAX相结构没有发生变化,那么它的衍射峰就不会有太大变化,就很难观察到表征变化,我们以为试验没有成功。”黄庆仍然很庆幸,“在后续工作中,很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更宽松的环境和支持,以及更多样化的评价机制,以帮助科研人员能够沉浸于长周期研究,实现重大原始创新。

“这把‘剪刀’挺魔幻,但目前也还是阶段性成果。”柴之芳提出了更多期待,“‘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,甚至是否可能通过材料基因工程技术让‘剪刀’具有自己的认知功能,让它‘活’起来?”会涌现出更多精彩的材料发现。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.add5901

 
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