原子组装新思路实现镧系MXene精准构筑

石墨和金刚石，同样由碳元素组成，却一个柔软、一个坚硬，这种截然不同的性质，源于碳原子排列结构的差异。因此，科学家一直希望能够更加主动地设计材料，让原子按照预期方式组合，从而创造出具有特定功能的新材料。

甬江实验室黄庆团队联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）、浙江大学等团队，提出全新的“亚层化学”理念，将镧系元素“嵌入”MXene晶格，首次造出同时具备半导体特性和铁磁性的新型二维材料，为二维层状材料设计与创制开辟了新的研究方向。

相关成果7月22日在线发表于《自然》。

镧系MXene的合成过程示意图。

“亚层化学”构筑MXene材料过程示意图。宁波材料所供图

从“发现材料”到“编辑材料”

在材料科学的世界里，二维材料一直是备受瞩目的“明星”。石墨烯之后，MXene——一类由前过渡金属和碳/氮构成的层状化合物，凭借优异的导电性和可调的表面化学性质，在储能、电磁屏蔽、催化、传感等领域大放异彩，也是论文共同通讯作者黄庆自回国就职宁波材料所、再到今年5月入职甬江实验室这十多年来，一直主动设计、深入研究的重点。

然而，这些“明星选手”也有自己的短板：它们几乎清一色是金属导体，既缺乏半导体特有的能带结构，也鲜少拥有磁有序性。

论文共同第一作者、宁波材料所博士生方倩向《中国科学报》做了个比喻：“这就像一支全能的运动队，跑得快、跳得高，却唯独不会游泳——遇到需要电子器件和自旋电子学的‘水域’，便束手无策。”

如果能将具有独特电子结构的镧系元素引入MXene，有望突破这一局限。

但制备镧系MXene绝非易事：传统“自上而下”的刻蚀策略不仅受限于镧系MAX相（一类兼具金属与陶瓷特性的三元层状碳/氮化物陶瓷材料）前驱体的稀缺，刻蚀过程中镧系元素也极易流失。

面对棘手问题，科研人员决定转换思路：自下而上，“编辑”出镧系MXene。

黄庆表示，过去，材料研发更多依赖“发现”——将不同元素组合，在一定条件下反应，再从形成的产物中寻找具有优异性能的新材料。而科学家一直希望能够更加主动地设计材料：在理解材料形成规律的基础上，根据目标性能需求，在原子层面，对材料结构进行主动调控，实现按需创制。

从“化学剪刀”到“亚层化学”

成功从非一蹴而就，而是在漫长深耕中厚积薄发。

2023年，黄庆团队在《科学》首次提出“化学剪刀”策略，利用层状材料不同亚层之间化学性质的差异，在熔盐环境中实现特定原子的敲除、置换与重构，为层状材料精准编辑提供了新的技术路线，也为后来提出“亚层化学”理念奠定了重要基础。

此次发表的最新研究，则在此基础上实现了进一步突破。

团队没有再以传统MAX相作为前驱体，而是选择一种具有特殊电子结构的层状镧系单卤化物作为基本结构单元。

研究发现，这类材料属于一种特殊的层状电子化物，其双金属层之间富集着大量电子；同时，它沿c轴方向的原子排列方式，与目标MXene中的关键亚层结构高度相似，就像提前搭好了构筑新材料的“骨架”，为后续精准构筑镧系MXene创造了条件。

反应开始后，这些原本分布在层间的电子首先转移给碳原子，使碳原子带上负电；与此同时，双金属层之间的结合随之减弱，层间逐渐“打开”。在静电作用驱动下，带负电的碳原子进入双金属层之间，并占狙倘定的位置，最终自下而上重构形成全新的镧系MXene晶体结构。

通过这一方法，团队成功获得包含钆、铽、镝、钬、铒、镥等6种镧系元素的新型MXene，实现了对镧系MXene的精准构筑。

研究表明，这类材料同时具备半导体特性和本征磁性，实现了传统MXene难以兼具的性能组合，为新一代二维功能材料的发展提供了新的材料基础。

这一突破的意义远不止于实验室。兼具半导体性和铁磁性的二维材料，是自旋电子学长期瞄准的“目标材料”——电子既能通过电荷传输信息，又能利用自旋态存储数据，有望大幅提升运算速度和存储密度。此外，这类材料在低功耗逻辑器件、高频通信、磁传感器乃至量子计算领域都蕴藏巨大潜力。

更重要的是，该合成策略具有普适性，未来有望推广至其他过渡金属化合物，为二维材料家族打开一扇全新的大门。

创新，从追问“为什么”开始

这项研究历时5年，其间经历了无数次实验验证与方案调整。论文投稿期间，审稿人每一次刨根问底都需要提供大量的支持证据，也让团队不断深入审视数据和思考。

很多创新，往往都源于没有放过“异常”，并多问几个“为什么”。

黄庆讲起团队的一次经历：实验中，学生发现样品并未得到预期结果，却意外出现了一种特殊的层状结构。面对这个“异常现象”，团队没有简单将其视为失败，而是继续追问：为什么会这样？正是这种对异常现象背后科学规律的持续探索，推动团队逐步发现新的反应机制，并最终发展出“化学剪刀”“亚层化学”等原创研究思路。

方倩也深有感触：“科研是一条充满艰辛的道路，尤其是具有引领性的研究，可能在很长一段时间里都难以获得正向反馈。正因如此，更需要不断调整心态、更新认知，静下心来把问题钻研得更透彻。”

“材料编辑，就是从一个新的视角理解原子如何组合、拆卸和置换。”黄庆表示，层状材料拥有极其丰富的量子限域效应，在新能源、催化、超导、光电等领域前景广阔，希望借此创制出更多过去无法获得的全新体系。