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新型MAX相探索的科研范式演進：從“大海撈針”到“按圖索驥”

發布時間：2025-05-22 【字體：大中小】【打印】【關閉】

MAX相（化學式M_n+1AX_n）是一類兼具金屬與陶瓷特性的三元層狀材料，具有豐富的元素組成、多樣的化學成鍵和獨特的晶體結構，在高溫承載結構、電力傳輸機構、摩擦磨損器件、核用包殼材料等應用領域受到廣泛關注。然而，其龐大的化學組合空間讓實驗探索猶如“大海撈針”。傳統依賴實驗試錯的研發模式效率低、成本高，制約了新型MAX相材料的發現。

科學研究范式的不斷演進，折射出人類對自然規律理解認知的加深（圖1）：從早期的實驗試錯，到理論模型的構建，再到計算科學的興起，每一次范式的轉變都極大提升了研究效率。當前，科學研究正邁入新的階段，大量從宏觀到微觀、自然觀測到實驗表征、計算分析到模擬仿真所產生的科學數據催生了“數據驅動”研究策略的興起。科學家們不僅通過對廣泛數據實時、動態的監測與分析來解決難以駕馭或不可觸及的科學問題，更是把數據作為科學研究的對象和工具，基于數據來思考、設計和實施科學研究。數據不僅是科學研究的結果，更是變成科學研究的基礎；人們不僅關心數據的描述、組織、保存、訪問、復用，更關心如何利用其內在的交互性、開放性，并實現數據的可知識對象化、可計算化，進而構建起基于數據的研究與創新模式。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進核能材料實驗室長期從事結構與功能一體化的新型MAX相材料探索與創制，已在Science、Nature Materials、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials 等高水平學術期刊發表論文100余篇，近年來，實驗室積極推進數據科學方法賦能實驗、計算、建模與仿真，打破傳統以經驗積累和循環試錯為特征的“經驗尋優”的研究方式，建立起集實驗、理論、計算和數據于一體的“理性設計”研究模式，進而提升MAX相材料的研發效率，支持能源領域的可持續發展。

在前期工作中，實驗室發展了基于數據驅動的結構映射方法，提出了影響MAX 相形成能力的兩個關鍵設計變量（電子濃度因子 & 幾何結構因子）并確定其表達形式，在此基礎上構建了可用于MAX相材料可形成能力快速判斷，進而指導高效開發新型MAX 相的二維結構映射圖（Materialia 2020, 12, 100810; Ceram. Int. 2024, 50, 2855; AI Mater. 2025, 1, 0008）。借助初版結構映射圖的輔助（Materialia 2020, 12, 100810，圖2），實驗室已成功實現了多種新型MAX相材料的開發，包括：Zr₂SeC、Ta₂CoC、Ta₂FeC、Nb₂FeC、Ti₂FeN、Sc₂SnC、V₂SnC等（J. Eur. Ceram. Soc. 2021, 41, 4447; Appl. Phys. Rev. 2021, 8, 031418; Nano-Micro Lett. 2021, 13, 158; J. Inorg. Mater. 2021, 36, 773; Adv. Sci. 2023, 10, 2206877; J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 481; Small 2024, 20, 2401022，圖3）。新版結構映射圖（Ceram. Int. 2024, 50, 2855，圖4）綜合考慮了MAX相材料共棱八面體的結構特征，通過更新幾何結構因子的表達，并將多元MAX相材料納入分析（Ceram. Int. 2024, 50, 2855，圖5），將結構映射圖的劃分準確率由92.1%進一步提升至95.5%。

近期，實驗室在學術期刊 AI & Materials 上發表綜述文章（AI Mater. 2025, 1, 0008），系統介紹了運用計算方法探索 MAX 相領域以發掘新型候選材料的歷史脈絡和最新進展，詳細討論了高通量第一性原理計算方法和結構映射策略在探索新型MAX相中所發揮的不同作用。文章指出，相比于第一性原理計算的解析方法，結構映射提供了對 MAX 相形成可能性的快速區分，進而為系統篩選潛在的 MAX 相提供了有用的初始指導原則，是解決MAX 相元素組合設計中階乘復雜性問題的強大工具。

上述研究得到了國家自然科學基金（U23A2093、22206193），浙江省“尖兵”“領雁”計劃（2022C01236），寧波市“科創甬江2035”關鍵技術項目（2024Z284）的支持。