Data-driven discovery and rapid, direct synthesis of MXenes

二维材料是一类极其薄的物质，其厚度仅为几个原子，却拥有卓越的强度和电学特性，这使得它们在从更快的计算机到更高效的电池等各个领域都具有极高的价值。在这些材料中，一类被称为 MXenes 的特定族群引起了科学家的关注，因为它们是由金属层与碳或氮组成的，可以像翻阅书页一样被剥离开来。十多年来，研究人员一直知道如何制造这些材料：通过从一种相关化合物的固体块开始，利用化学手段“吃掉”其中一种原子，从而留下这些层状结构。然而，这种传统方法速度缓慢，通常需要使用危险化学品，且仅能制造极少数特定类型的材料。该领域面临的一个重大问题是：已知的这些材料清单是真的已经完整了，还是科学史的浩瀚图书馆中还隐藏着许多早在很久以前就被制造出来、却仅仅是被误分类或被遗忘的例子。

一支研究团队现在通过将现代计算机工具与传统的化学方法相结合，回答了这个问题，从而发现了一个隐藏的材料库。他们首先教计算机程序识别 MXenes 特有的原子指纹，然后让它扫描科学家在过去一个世纪中记录的海量晶体结构数据库。计算机找到了数十种完全符合描述、但从未被标记为 MXenes 的化合物。研究人员将这一系列收集到的材料称为“宝库”，其中包含三十八种不同的材料，它们在几十年前就被合成过，但因为被归类在不同的名称下而被忽视了。这一发现表明，这些材料的化学空间比此前认为的要大得多，包含了许多变体，其中包括稀土金属以及核心处不同类型的原子，而不仅仅是标准的碳和氮组合。

为了证明这些被遗忘的材料是真实存在的且可以再次制造，该团队转向了一种名为自蔓延高温合成（self-propagating high-temperature synthesis）的快速且可持续的制造技术。他们没有使用缓慢、高能耗的烤箱或危险液体，而是将金属粉末与其他成分混合，并用短暂的电流点燃混合物。一旦反应开始，它就会产生自身的高温，并像波浪一样在材料中蔓延，在不需要任何外部电源的情况下，仅用几分钟时间就完成了整个过程。利用这种方法，该团队成功重新制备了“宝库”名单中的五种材料，证实了它们可以快速且清洁地生产。他们还利用从这一过程中获得的见解，创造了十一类全新的、此前从未被制造过的 MXenes，这些材料全部基于镨和钕等稀土元素。

实验结果显示，这些新获得的材料具有独特的物理性质，与标准版本显著不同。研究人员发现，这些基于稀土的新型 MXenes 表现出半导体特性，这意味着它们可以以对电子设备有用的方式控制电流的流动。此外，由于这些材料含有稀土金属，它们展现出多样化的磁行为，其中一些表现为磁体，另一些则表现出不同类型的磁有序。团队通过强力显微镜观察这些材料，并测量它们与光和声的相互作用，验证了这些特性。显微图像显示，这些层保持着清晰且有序的状态，原子的排列与计算机模型的预测完全一致。

这项工作不仅仅是在名单上增加新名字；它展示了一种加速科学发现的强大新途径。通过利用机器学习在历史记录中进行筛选，研究人员表明，现代问题的答案可能已经存在于旧数据中，只需用正确的工具进行识别即可。他们还证明了这些材料可以使用一种快速、可扩展的方法进行制造，从而避免了传统化学处理带来的环境危害。虽然这项研究侧重于识别和制造这些特定的化合物，但其方法本身为在人类知识的浩瀚档案中寻找其他隐藏材料提供了路线图。研究结果表明，二维材料家族比此前想象的更加广泛且多功能，为能源存储、电子产品及其他领域的广泛应用开启了大门。