用一把特制工具，不需要拆解整個(gè)魔方，就能巧妙地抽取、替換其中的方塊組件?在微觀材料領(lǐng)域，類(lèi)似的工具已然成真。

(資料圖片)

3月19日，記者從中科院寧波材料所獲悉，該院黃慶研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)德雷塞爾大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)科研人員，提出一種利用路易斯酸熔鹽和還原性金屬作為“化學(xué)剪刀”的插層策略，創(chuàng)制出了更多常規(guī)合成路徑無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新型MAX相和MXene材料。相關(guān)論文發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)》。

“化學(xué)剪刀”輔助的層狀過(guò)渡金屬碳化物的結(jié)構(gòu)編輯策略示意圖。

MAX相是指一類(lèi)具有六方晶體結(jié)構(gòu)的納米層狀化合物，由元素周期表上的M、A、X三類(lèi)元素構(gòu)成，因此被統(tǒng)稱(chēng)為“MAX相”。其晶體結(jié)構(gòu)由過(guò)渡金屬碳氮化物層(MX層)和A位原子層交替堆疊而成，從而兼具金屬材料和陶瓷材料的特性，在高鐵電弓、高溫加熱元件、渦輪機(jī)葉片、耐磨涂層等應(yīng)用領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。

據(jù)介紹，MAX相材料在抽掉A元素之后會(huì)衍生為一種新型二維碳氮化物材料MXene。 MXene具有與石墨烯相似的原子排列方式，而且晶格組分和表面端基豐富可調(diào)，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。

元素周期表匯總了組成MAX相和MXene的元素種類(lèi)。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(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的元素。

已有研究證明，MAX相材料存在A位原子晶格位精確置換行為?？蒲腥藛T介紹，精確調(diào)控MAX相和MXene材料二維層間的組分和結(jié)構(gòu)，是制約其實(shí)現(xiàn)特定功能應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

“打個(gè)比方，通過(guò)調(diào)控組分、結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)功能，就像把三明治中間的一層換掉，口味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值就不同了?！?科研人員介紹，但考慮到MAX相的晶體結(jié)構(gòu)，操作難度類(lèi)似于將魔方表面中間位置的方塊單獨(dú)取出、替換，再縫合好，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的調(diào)控。?

科研人員介紹，路易斯酸熔鹽和金屬這兩瓣刀片各有妙用，分別具備氧化性和還原性，打開(kāi)MAX相或MXene的層間，相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)魔方的中間方塊，然后引入不同的客體插層物質(zhì)，即金屬原子和陰離子等來(lái)進(jìn)行層間插層，相當(dāng)于將特定魔方方塊放入中間方塊。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用這一“化學(xué)剪刀”策略輔助的結(jié)構(gòu)編輯方法，極大豐富了目標(biāo)物質(zhì)的元素組成和微觀結(jié)構(gòu)，最終得到一系列A位元素含有傳統(tǒng)元素(鋁、稼、銦和錫)和非傳統(tǒng)元素(鉍、銻、鐵、鈷、鎳等)的MAX相材料。

黃慶介紹，非傳統(tǒng)A位元素的引入，如磁性元素和貴金屬等，有望將MAX材料的合成研究從高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域拓展到磁性、光電、催化、超導(dǎo)等功能應(yīng)用領(lǐng)域。

(中科院寧波材料所供圖)

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