自下而上精準“編輯”，打開二維材料家族新大門

　　石墨和金剛石同樣由碳元素組成，卻一個柔軟、一個堅硬，這源于碳原子排列結構的差異。因此，科學家一直希望能夠掌握材料設計的主動權，讓原子按照預期方式組合，從而創造出具有特定功能的新材料。

　　甬江實驗室研究員黃慶團隊聯合中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）、浙江大學等團隊，提出全新的“亞層化學”理念，將鑭系元素“嵌入”MXene晶格，首次造出同時具備半導體特性和鐵磁性的新型二維材料，為二維層狀材料設計與創制開辟了新的研究方向。相關研究成果近日在線發表于《自然》。

　　從“發現材料”到“編輯材料”

　　在材料科學世界，二維材料一直是備受矚目的“明星”。石墨烯之后，MXene—— 一類由前過渡金屬和碳/氮構成的層狀化合物，憑借優異的導電性和可調的表面化學性質，在儲能、電磁屏蔽、催化、傳感等領域大放異彩。它也是黃慶10多年來，一直主動設計、深入研究的重點。

　　然而，這些“明星”也有短板——幾乎清一色是金屬導體，既缺乏半導體特有的能帶結構，也鮮少擁有磁有序性。

　　論文共同第一作者、寧波材料所博士生方倩向《中國科學報》打了個比方：“這就像一支運動隊，跑得快、跳得高，卻唯獨不會游泳——遇到需要電子器件和自旋電子學的‘水域’，便束手無策。”

　　如果能將具有獨特電子結構的鑭系元素引入MXene，有望突破這一局限。但制備鑭系MXene絕非易事，傳統“自上而下”的刻蝕策略不僅受限于鑭系MAX相（一類兼具金屬與陶瓷特性的三元層狀碳/氮化物陶瓷材料）前驅體的稀缺，刻蝕過程中鑭系元素也極易流失。

　　面對棘手問題，科研人員決定轉換思路：自下而上，“編輯”出鑭系MXene。

　　黃慶表示，過去材料研發更多依賴“發現”，即將不同元素組合，在一定條件下反應，再從形成的產物中尋找具有優異性能的新材料。而科學家一直希望能夠更加主動地設計材料，即在理解材料形成規律的基礎上，根據目標性能需求，在原子層面對材料結構進行主動調控，實現按需創制。

　　從“化學剪刀”到“亞層化學”

　　成功從不是一蹴而就的，而是在漫長深耕中厚積薄發。2023年，黃慶團隊在《科學》上首次提出“化學剪刀”策略，利用層狀材料不同亞層之間化學性質的差異，在熔鹽環境中實現特定原子的敲除、置換與重構，為層狀材料精準編輯提供了新的技術路線，也為后來提出“亞層化學”理念奠定了重要基礎。

　　此次發表的最新研究，在此前研究成果的基礎上實現了進一步突破。團隊不再以傳統MAX相作為前驅體，而是選擇一種具有特殊電子結構的層狀鑭系單鹵化物作為基本結構單元。

　　研究發現，這類材料屬于一種特殊的層狀電子化物，其雙金屬層之間富集大量電子。同時，它沿c軸方向的原子排列方式與目標MXene中的關鍵亞層結構高度相似，就像提前搭好了構筑新材料的骨架，為后續精準構筑鑭系MXene創造了條件。

　　反應開始后，這些原本分布在層間的電子首先轉移給碳原子，使碳原子帶負電。與此同時，雙金屬層之間的結合隨之減弱，層間逐漸“打開”。在靜電作用驅動下，帶負電的碳原子進入雙金屬層之間，并占據穩定的位置，最終自下而上重構形成全新的鑭系MXene晶體結構。

　　通過這一方法，團隊成功獲得包含釓、鋱、鏑、鈥、鉺、镥等6種鑭系元素的新型MXene，實現了對鑭系MXene的精準構筑。

　　研究表明，這類材料同時具備半導體特性和本征磁性，實現了傳統MXene難以兼具的性能組合，為新一代二維功能材料的發展奠定了新的材料基礎。

　　這一突破的意義遠不止于實驗室。兼具半導體特性和鐵磁性的二維材料是自旋電子學長期瞄準的“目標材料”——電子既能通過電荷傳輸信息，又能利用自旋態存儲數據，有望大幅提升運算速度和存儲密度。此外，這類材料在低功耗邏輯器件、高頻通信、磁傳感器乃至量子計算領域都蘊藏巨大潛力。

　　更重要的是，該合成策略具有普適性，未來有望推廣至其他過渡金屬化合物，為二維材料家族打開一扇全新的大門。

　　創新，從追問“為什么”開始

　　這項研究歷時5年，其間經歷了無數次實驗驗證與方案調整。論文投稿期間，審稿人每一次刨根問底都需要提供大量的支持證據，也讓團隊不斷深入審視數據和思考。

　　很多創新往往源于沒有放過“異常”，并多問幾個“為什么”。

　　黃慶講起團隊的一次經歷。實驗中，學生發現樣品并未得到預期結果，卻意外出現了一種特殊的層狀結構。面對這個“異常現象”，團隊沒有簡單將其視為失敗，而是繼續追問為什么會這樣。正是這種對異常現象背后科學規律的持續探索，推動團隊逐步發現新的反應機制，并最終發展出“化學剪刀”“亞層化學”等原創研究思路。

　　方倩也深有感觸：“科研是一條充滿艱辛的道路，尤其是具有引領性的研究，可能在很長一段時間里都難以獲得正向反饋。正因如此，更需要不斷調整心態、更新認知，靜下心來把問題鉆研得更透徹。”

　　“材料編輯就是從一個新的視角理解原子如何組合、拆卸和置換。”黃慶表示，層狀材料擁有極其豐富的量子限域效應，在新能源、催化、超導、光電等領域前景廣闊，希望借此創制出更多過去無法獲得的全新體系。