如何用“积木”搭建未发现的晶体世界？

如何用“积木”搭建未发现的晶体世界？

2020-01-13

在日常生活中，金属材料一般具有良好的导热与导电性能，并在常温下易弯折、可切削、抗冲击、易加工；而陶瓷材料则往往具备高硬度、高弹性模量、抗变形、耐高温，并具有出色的抗氧化性和抗腐蚀性能。那么，世界上有没有既能导电导热，又能高强度耐高温的材料呢？
有！一种被称为“MAX相”陶瓷材料就同时具备了金属和陶瓷这些独特的性质，在诸如航空航天上的高温润滑材料、核电站中的事故容错高安全材料、高温电接触材料等领域，都得到了广泛应用。
马上就要过年了，很多人会选择搭乘高铁、城铁回家过团圆年，而这些现代交通工具系统中，受电弓滑板是电力在机车和电网间传输的关键材料。研究发现具有高导电、耐磨损的Ti₃SiC₂（一种MAX相材料）能够很好地解决大电流传输、磨损和闪弧烧蚀等问题，让高铁、城铁更加安全、可靠。

图1 MAX相材料作为高铁弓网系统中的受电弓滑板应用受到了广泛关注
M元素+ A元素+ X元素=MAX相材料
那么，什么是MAX相材料？MAX相材料的化学式表达为M_n+1AX_n（n=1、2或3），其中M位元素从化学周期表（图2）中的橙色部分中进行选择；A位元素从化学周期表中的蓝色部分中进行选择；X位元素从化学周期表中的绿色部分中进行选择；n一般取值为1~3。
目前世界上已经发现有80余种三元MAX相材料，而且大部分是在上世纪六十年代由奥地利科学家合成出来的。科学家们是怎样合成这些MAX相的呢？
很简单，就是“搭积木”。从元素周期表中选取M、A、X三种“元素积木”，然后按照“M-X-M-A-M-X-M-A”的次序不断重复堆垛起来，就组装成了MAX相晶体结构（图3）。

图2 MAX相“乐高”所需要的元素“积木”在元素周期表中的分布（图片来自无机材料学报。2020， 35（1），1-7）

图3 科学家通过搭乐高积木的方式创制新MAX相材料
“李代桃僵”，把不可能变成可能
然而，并不是所有的元素积木都能顺利地搭建成MAX相晶体结构，比如Cu和Zn两种元素，之前从来没有成功地放入MAX相中。不过，这可难不倒我们的科学家。日前，中科院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室就想出了一个巧妙的办法来解决这个问题。
科研人员先选择合适的元素积木按照“M-X-M-A-M-X-M-A”的次序搭出一个M_n+1AX_n。然后，将Cu和Zn这两种元素积木小心地替换其中的A元素积木，这样就获得了全新的M_n+1CuX_n和M_n+1ZnX_n晶体材料。
成组搭建，构建磁性MAX相“大厦”
科学家们还发现，MAX相材料具有独特的纳米层状结构和性质可调制的特点，在A位单原子层中放入磁性的元素积木（如Mn、Fe、Co和Ni等），就能实现原子级自旋电子器件的应用。
不过，此前研究普遍认为Fe、Co、Ni和Mn这些元素积木仅能放入MAX相材料的M位置，如果放入A位置会使得MAX相乐高坍塌，这确实是这些科学家在“搭积木”中的难题。怎么办？在尝试多次后，科学家发现，成组搭建比单个搭建要容易得多呢。
于是，科学家通过这样的搭乐高的方式，成功地将磁性的元素积木（Fe/Co/Ni/Mn）和Sn这种元素积木，一起按照M-X-M-A-M-X-M-A的次序堆垛起来（图4为示意图），从而制备出一系列V₂(A_xSn_1-x)C（A=FeCo、FeNi、FeMn、CoNi、CoMn、NiMn、FeCoNi、FeCoMn、FeNiMn、CoNiMn或FeCoNiMn）磁性MAX相材料。原来，搭建乐高MAX相也需要将不同尺寸、不同形状、不同颜色的“元素积木”配合起来才行啊。

图4 四种磁性元素积木同时放入乐高MAX相中
磁性单原子层结构的实现，是MAX相材料创制的一个全新研究方向。这个发现将对纳米磁性材料和自旋电子器件的发展提供新的视角，也有望推动磁传感、磁存储和磁电子学等领域的发展。
我们的生活已经步入大数据时代，数据的存储和运算都离不开具有开关性质的记录材料，而基于自旋电子学的磁记录有可能实现更快更高密度运算存储的方式。看来，用“元素积木”来搭建乐高MAX相大有作为啊！
来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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