如何用“積木”搭建未發現的晶體世界？_風聞

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在日常生活中，金屬材料一般具有良好的導熱與導電性能，並在常温下易彎折、可切削、抗衝擊、易加工；而陶瓷材料則往往具備高硬度、高彈性模量、抗變形、耐高温，並具有出色的抗氧化性和抗腐蝕性能。那麼，世界上有沒有既能導電導熱，又能高強度耐高温的材料呢？

有！一種被稱為“MAX相”陶瓷材料就同時具備了金屬和陶瓷這些獨特的性質，在諸如航空航天上的高温潤滑材料、核電站中的事故容錯高安全材料、高温電接觸材料等領域，都得到了廣泛應用。

馬上就要過年了，很多人會選擇搭乘高鐵、城鐵回家過團圓年，而這些現代交通工具系統中，受電弓滑板是電力在機車和電網間傳輸的關鍵材料。研究發現具有高導電、耐磨損的Ti3SiC2（一種MAX相材料）能夠很好地解決大電流傳輸、磨損和閃弧燒蝕等問題，讓高鐵、城鐵更加安全、可靠。

圖1  MAX相材料作為高鐵弓網系統中的受電弓滑板應用受到了廣泛關注

M元素+ A元素+ X元素=MAX相材料

那麼，什麼是MAX相材料？MAX相材料的化學式表達為Mn+1AXn（n=1、2或3），其中M位元素從化學週期表（圖2）中的橙色部分中進行選擇；A位元素從化學週期表中的藍色部分中進行選擇；X位元素從化學週期表中的綠色部分中進行選擇；n一般取值為1~3。

目前世界上已經發現有80餘種三元MAX相材料，而且大部分是在上世紀六十年代由奧地利科學家合成出來的。科學家們是怎樣合成這些MAX相的呢？

很簡單，就是“搭積木”。從元素週期表中選取M、A、X三種“元素積木”，然後按照“M-X-M-A-M-X-M-A”的次序不斷重複堆垛起來，就組裝成了MAX相晶體結構（圖3）。

圖2  MAX相“樂高”所需要的元素“積木”在元素週期表中的分佈（圖片來自無機材料學報。2020， 35（1），1-7）

圖3 科學家通過搭樂高積木的方式創制新MAX相材料

“李代桃僵”，把不可能變成可能

然而，並不是所有的元素積木都能順利地搭建成MAX相晶體結構，比如Cu和Zn兩種元素，之前從來沒有成功地放入MAX相中。不過，這可難不倒我們的科學家。日前，中科院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室就想出了一個巧妙的辦法來解決這個問題。

科研人員先選擇合適的元素積木按照“M-X-M-A-M-X-M-A”的次序搭出一個Mn+1AXn。然後，將Cu和Zn這兩種元素積木小心地替換其中的A元素積木，這樣就獲得了全新的Mn+1CuXn和Mn+1ZnXn晶體材料。

成組搭建，構建磁性MAX相“大廈”

科學家們還發現，MAX相材料具有獨特的納米層狀結構和性質可調製的特點，在A位單原子層中放入磁性的元素積木（如Mn、Fe、Co和Ni等），就能實現原子級自旋電子器件的應用。

不過，此前研究普遍認為Fe、Co、Ni和Mn這些元素積木僅能放入MAX相材料的M位置，如果放入A位置會使得MAX相樂高坍塌，這確實是這些科學家在“搭積木”中的難題。怎麼辦？在嘗試多次後，科學家發現，成組搭建比單個搭建要容易得多呢。

於是，科學家通過這樣的搭樂高的方式，成功地將磁性的元素積木（Fe/Co/Ni/Mn）和Sn這種元素積木，一起按照M-X-M-A-M-X-M-A的次序堆垛起來（圖4為示意圖），從而製備出一系列V2(AxSn1-x)C（A=FeCo、FeNi、FeMn、CoNi、CoMn、NiMn、FeCoNi、FeCoMn、FeNiMn、CoNiMn或FeCoNiMn）磁性MAX相材料。原來，搭建樂高MAX相也需要將不同尺寸、不同形狀、不同顏色的“元素積木”配合起來才行啊。

圖4  四種磁性元素積木同時放入樂高MAX相中

磁性單原子層結構的實現，是MAX相材料創制的一個全新研究方向。這個發現將對納米磁性材料和自旋電子器件的發展提供新的視角，也有望推動磁傳感、磁存儲和磁電子學等領域的發展。

我們的生活已經步入大數據時代，數據的存儲和運算都離不開具有開關性質的記錄材料，而基於自旋電子學的磁記錄有可能實現更快更高密度運算存儲的方式。看來，用“元素積木”來搭建樂高MAX相大有作為啊！

**來源：**中國科學院寧波材料技術與工程研究所