一把“化學(xué)剪刀”，將MAX相材料如同吐司面包般“切片”，進而實現(xiàn)中間層“金屬夾心”的自由替換——這正是中科院寧波材料所先進能源工程材料實驗室主任、研究員黃慶領(lǐng)銜的科研團隊，于近日取得的最新成果。
3月17日，該成果以《“化學(xué)剪刀”輔助層狀材料結(jié)構(gòu)編輯》為題，登上國際頂尖科學(xué)雜志《Science》（中文名《科學(xué)》）。這是中科院寧波材料所首次在《Science》亮相，也標志著寧波在材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域攀上了新高峰。
在黃慶領(lǐng)銜的科研團隊里，幾乎人手一個三階魔方。只是與市面上常見的魔方不同，科研團隊“定制”的三階魔方，表面并非只有純凈的色彩——
每一個魔方色塊都標上了一種元素，來回轉(zhuǎn)動間，M代表的前過渡族金屬、A代表的ⅢA和ⅣA主族元素、X代表的碳、氮、硼元素，各選一種排列組合，即可形成一種分子式為Mn+1AXn的MAX相材料。
巧的是，MAX相材料的微觀結(jié)構(gòu)也與魔方類似。
在晶格示意圖中，M、A、X位的三種元素呈層狀排布，其八面體共棱的連接方式，在保留金屬特征的同時，也讓MAX相材料具備了密度更低、穩(wěn)定性更高、剛度更高的“兩低一高”優(yōu)勢，進而成為下一輪“超級材料”的新代表。
不過，放在過去，并非所有魔方轉(zhuǎn)出的“超級材料”都能在現(xiàn)實中得到。
通常，MAX相材料由物理冶金方式產(chǎn)生。以Ti2AlC為例，是將鈦金屬、鋁金屬和碳粉等原始材料放在一起燒，依靠高溫和“自然規(guī)律”得到最終產(chǎn)物。
但如果想要將鋁金屬換成鐵、鈀、金等非傳統(tǒng)元素，僅靠高溫則無法實現(xiàn)。
“這是因為在高溫條件下，鐵、鈀、金等非傳統(tǒng)元素不易與‘共棱八面體骨架’形成結(jié)構(gòu)，而是遵從自然規(guī)律，形成鈦鐵、鈦鈀、鈦金等二元化合物?！秉S慶解釋道。
既然僅靠“自然規(guī)律”無法制備，那么便對已有MAX相材料進行“切割手術(shù)”，再將目標金屬置換進去！
發(fā)現(xiàn)這一思路值得一試后，黃慶當即帶領(lǐng)科研團隊從氧化還原反應(yīng)入手，引入路易斯酸熔鹽和還原性金屬作為“化學(xué)剪刀”，力圖“切開”MAX相材料的層間。
事實證明，這一思路完全可行，只不過需要多一絲“細心”作為敲門磚——據(jù)黃慶回憶，從猜想到驗證并不漫長，但成功險些和科研團隊“擦肩而過”。
在對實驗產(chǎn)物進行衍射分析時，科研人員發(fā)現(xiàn)其晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)并未和先前發(fā)生太大變化，于是下意識以為實驗并沒有成功。
直到后來一次偶然的元素分析，團隊成員才驚覺，原來原化合物中的A位元素早已被徹底替換，只是因為M、X位元素形成的“共棱八面體骨架”太過穩(wěn)定，個中變化才沒有在科研人員面前“顯山露水”。
“成敗就在那一絲細節(jié)之中?！秉S慶坦言，這正是科研的困難之處，所謂“細節(jié)是魔鬼”，這一刻猜想得到驗證的喜悅，值得和經(jīng)驗反思牢牢捆綁在一起。
“從思路上進行突破，提出完全一種傳統(tǒng)沒有的、顛覆性的技術(shù)，這正是基礎(chǔ)研究的價值所在?！别菏俊⒅锌圃簩幉ú牧纤冗M能源材料工程實驗室首席科學(xué)家柴之芳這樣評價該技術(shù)。
他表示，這把“化學(xué)剪刀”是魔幻的，更代表了一種方向、一條道路，目之所及天地寬。
“一方面，這把‘化學(xué)剪刀’能讓無數(shù)以往只存在分子式中的超級材料走進現(xiàn)實，廣泛應(yīng)用在電磁屏蔽、電化學(xué)儲能、核材料、催化等領(lǐng)域，帶來極大社會價值；另一方面，‘化學(xué)剪刀’的作用范圍并非只有MAX相材料這個‘點’，而是更廣闊的層狀材料方向。其背后蘊含的突破定勢、交叉融合的思想，一定也是受到《科學(xué)》雜志青睞的原因之一?！辈裰颊f。
（來源：寧波市科技局）
