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MAX相（化學(xué)式M_n+1AX_n）是一類(lèi)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(xué)成鍵和獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，在高溫承載結(jié)構(gòu)、電力傳輸機(jī)構(gòu)、摩擦磨損器件、核用包殼材料等應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，其龐大的化學(xué)組合空間讓實(shí)驗(yàn)探索猶如“大海撈針”。傳統(tǒng)依賴實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的研發(fā)模式效率低、成本高，制約了新型MAX相材料的發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)研究范式的不斷演進(jìn)，折射出人類(lèi)對(duì)自然規(guī)律理解認(rèn)知的加深（圖1）：從早期的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，到理論模型的構(gòu)建，再到計(jì)算科學(xué)的興起，每一次范式的轉(zhuǎn)變都極大提升了研究效率。當(dāng)前，科學(xué)研究正邁入新的階段，大量從宏觀到微觀、自然觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)表征、計(jì)算分析到模擬仿真所產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)催生了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”研究策略的興起。科學(xué)家們不僅通過(guò)對(duì)廣泛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)與分析來(lái)解決難以駕馭或不可觸及的科學(xué)問(wèn)題，更是把數(shù)據(jù)作為科學(xué)研究的對(duì)象和工具，基于數(shù)據(jù)來(lái)思考、設(shè)計(jì)和實(shí)施科學(xué)研究。數(shù)據(jù)不僅是科學(xué)研究的結(jié)果，更是變成科學(xué)研究的基礎(chǔ)；人們不僅關(guān)心數(shù)據(jù)的描述、組織、保存、訪問(wèn)、復(fù)用，更關(guān)心如何利用其內(nèi)在的交互性、開(kāi)放性，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可知識(shí)對(duì)象化、可計(jì)算化，進(jìn)而構(gòu)建起基于數(shù)據(jù)的研究與創(chuàng)新模式。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)核能材料實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事結(jié)構(gòu)與功能一體化的新型MAX相材料探索與創(chuàng)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(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇，近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室積極推進(jìn)數(shù)據(jù)科學(xué)方法賦能實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、建模與仿真，打破傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)積累和循環(huán)試錯(cuò)為特征的“經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)”的研究方式，建立起集實(shí)驗(yàn)、理論、計(jì)算和數(shù)據(jù)于一體的“理性設(shè)計(jì)”研究模式，進(jìn)而提升MAX相材料的研發(fā)效率，支持能源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

在前期工作中，實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)映射方法，提出了影響MAX 相形成能力的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量（電子濃度因子 & 幾何結(jié)構(gòu)因子）并確定其表達(dá)形式，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了可用于MAX相材料可形成能力快速判斷，進(jìn)而指導(dǎo)高效開(kāi)發(fā)新型MAX 相的二維結(jié)構(gòu)映射圖（Materialia 2020, 12, 100810; Ceram. Int. 2024, 50, 2855; AI Mater. 2025, 1, 0008）。借助初版結(jié)構(gòu)映射圖的輔助（Materialia 2020, 12, 100810，圖2），實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)了多種新型MAX相材料的開(kāi)發(fā)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征，通過(guò)更新幾何結(jié)構(gòu)因子的表達(dá)，并將多元MAX相材料納入分析（Ceram. Int. 2024, 50, 2855，圖5），將結(jié)構(gòu)映射圖的劃分準(zhǔn)確率由92.1%進(jìn)一步提升至95.5%。

近期，實(shí)驗(yàn)室在學(xué)術(shù)期刊 AI & Materials 上發(fā)表綜述文章（AI Mater. 2025, 1, 0008），系統(tǒng)介紹了運(yùn)用計(jì)算方法探索 MAX 相領(lǐng)域以發(fā)掘新型候選材料的歷史脈絡(luò)和最新進(jìn)展，詳細(xì)討論了高通量第一性原理計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)映射策略在探索新型MAX相中所發(fā)揮的不同作用。文章指出，相比于第一性原理計(jì)算的解析方法，結(jié)構(gòu)映射提供了對(duì) MAX 相形成可能性的快速區(qū)分，進(jìn)而為系統(tǒng)篩選潛在的 MAX 相提供了有用的初始指導(dǎo)原則，是解決MAX 相元素組合設(shè)計(jì)中階乘復(fù)雜性問(wèn)題的強(qiáng)大工具。

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（U23A2093、22206193），浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”計(jì)劃（2022C01236），寧波市“科創(chuàng)甬江2035”關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目（2024Z284）的支持。

圖1 科學(xué)研究范式的不斷演進(jìn)

圖2 初版結(jié)構(gòu)映射圖（Materialia 2020, 12, 100810）

圖3 初版結(jié)構(gòu)映射圖所預(yù)測(cè)的新型MAX相被后續(xù)實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證

圖4 更新幾何結(jié)構(gòu)因子表達(dá)的新版結(jié)構(gòu)映射圖（Ceram. Int. 2024, 50, 2855）

圖5 新版結(jié)構(gòu)映射圖，并將多元MAX相材料納入分析（Ceram. Int. 2024, 50, 2855）