What could we do with layered structures with just the right layers? What would the properties of materials be if we could really arrange the atoms the way we want them?

——Richard Feynman

“如果能够构筑恰到好处的层状结构，我们能创造出什么样的新材料？如果能够真正按照自己的意愿排列原子，材料又将呈现怎样奇妙的特性？”

1959年，物理学家理查德·费曼在著名演讲 “There's Plenty of Room at the Bottom: an invitation to enter a new field of physics ”（《于微纳处天地宽》）中提出了这一划时代科学构想。半个多世纪以来，如何在微纳尺度上直接操纵原子、主动设计具有特定性能的新材料，始终是材料科学领域的重要探索方向。

如今，这一方向迎来了新的进展。北京时间7月22日23时，黄庆团队联合浙江大学等科研团队在Nature发表最新研究，提出全新的“亚层化学”概念，建立了一条以层状镧系卤化物为结构单元、通过碳插层精准构筑镧系MXene的全新路径，为二维层状材料设计与创制开辟了新的研究方向。

论文链接：https://rdcu.be/fvcdw

材料的性能，在很大程度上取决于内部原子的排列方式。

比如，同样由碳元素组成，石墨柔软、金刚石坚硬。看似相同的化学组成，却因原子排列方式不同而呈现出截然不同的性质。材料科学的发展也不断印证着这点：改变结构，往往就意味着改变性能。

长期以来，人们更多是在自然界中发现材料、认识材料，再不断优化已有材料。而随着对材料形成规律认识的不断深入，一个新的方向逐渐清晰——能否在原子尺度主动设计、精准调控结构，按需定制出具有特定功能的新材料？

黄庆团队长期探索的，正是这样一条从“发现材料”迈向“编辑材料”的创新路径。近年来，他们将研究重点聚焦于一种备受关注的新型二维材料：MXene。

如果把MXene的母体材料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）比作一本厚厚的书，那么MXene就像从中轻轻撕下的超薄书页，每一页只有一到几个原子层厚。

正是这种独特的二维层状结构，令MXene拥有丰富的元素组合和高度可调控的性能，在储能、电磁屏蔽、催化、生物医学等领域展现出广阔应用前景。

然而，现有MXene多由前过渡金属构成，虽导电优异，却难兼具半导体特性与本征磁性，限制了其在量子信息等前沿领域的应用。若将具有独特4f电子结构的镧系元素引入，有望赋予材料更丰富的电学与磁学特性。

想法很美好，现实困难重重。传统制备MXene主要采用“自上而下”的刻蚀策略：先制备MAX相，再选择性去除其中的一层元素，最终获得MXene。但适合作为前驱体的镧系MAX相本就十分稀缺，刻蚀过程中镧系元素又极易流失。

面对这一瓶颈，黄庆团队没有继续沿着传统刻蚀路线优化，而是重新思考费曼提出的那个问题：如果已有的前驱体走不通，能否换一种思路，从原子层结构本身出发，重新构筑一种全新的MXene？

正是这一追问，最终催生了后来提出的“亚层化学”。

“亚层化学”的诞生，是漫长深耕中的厚积薄发。

2023年，团队在 Science 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。这为层状材料精准编辑提供了新的技术路线，也为“亚层化学”的诞生埋下伏笔。

此次发表于Nature 的研究，团队没有再沿用传统MAX相作为前驱体，而是将目光投向了层状镧系单卤化物。这类材料是一种特殊的层状电子化物，双金属层之间富集着大量自由电子；更重要的是，其沿 c 轴方向的原子排列与目标MXene的关键亚层结构高度契合，如同天然搭好了一副骨架。

随着反应进行，奇妙的微观变化开始发生：层间富集的电子首先转移至碳原子，使其带上负电；双金属层间的结合随之减弱，致密的层状结构被撑开。在静电驱动下，带负电的碳原子嵌入双金属层之间，与周围原子重新组合，最终自下而上构筑出全新的镧系MXene晶体。

镧系MXene的合成过程示意图。a，由卤化铜与镧系金属反应制得的 LnT 晶体结构；b，LnT向Ln2CT的结构转变机理：LnT 层间的层间电子（IAEs, interlayer anionic electrons）将石墨还原为四价碳阴离子C4-，C4-嵌入双金属层内的八面体间隙位点；c，最终产物Ln2CT的晶体结构。

借助这一策略，团队成功构筑出包含钆、铽、镝、钬、铒和镥（Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu）等6种镧系元素的新型MXene，实现国际首次精准构筑。而且这类材料同时具备了半导体特性和本征磁性，为自旋电子学、量子信息等前沿领域提供了全新材料基础。

不仅要“造得出”，更要回答“为什么能造得出”。这是一场多学科、多团队的协同攻坚：黄庆团队主导材料设计与制备；浙江大学杨洪新教授团队通过理论计算，揭示4f电子在带隙形成和磁性调控中的关键作用；上海科技大学曹克诚副教授团队完成原子尺度结构表征；柴之芳、欧阳晓平院士等多位专家指导把关。从设计、预测到验证，多方合力揭开了形成机制，也系统验证了“亚层化学”概念。

从“化学剪刀”到“亚层化学”，每一次突破都源于对既有认知的不断追问。

这项工作从发现之初到最终发表历时5年，此间经历了无数次实验验证与方案调整。而论文审稿期间，审稿人的每一次“刨根问底”都需要大量证据来回应。这也促使团队不断回到科学问题本身，深入审视数据，反复推敲完善。

“真正重要的，并非单次实验是否成功，而是出现意外结结果时，会不会去多问几个‘为什么’，并不断思考与验证。”黄庆说，许多原创成果，正是始于一次次的追问。“

黄庆至今仍记得一次普通实验的场景。原本预期得到的结果并没有出现，学生却意外观察到一种特殊的层状结构。面对这个“异常现象”，团队没有简单把它当作一次失败，而是继续追问：为什么会这样？

正是这一追问，让他们没有错过新的科学线索。随着研究不断深入，团队逐渐发现，这一“异常”背后并非偶然，而是隐藏着一种此前未被认识的反应规律。围绕这一规律，科研人员不断调整思路、完善实验，最终发展出“化学剪刀”策略，并进一步提出“亚层化学”这一新的材料创制理念。

论文第一作者方倩正在实验中

论文第一作者、中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士生方倩对此深有感触：“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。”

团队前期在层状材料基础研究取得一系列突破，相关成果发表于 JACS、Nature Materials、Science 等国际学术期刊。

2010年，而立之年的黄庆归国加盟中国科学院宁波材料技术与工程研究所，深耕无机材料基础研究。多年来，费曼关于微观操纵原子的构想始终萦绕在他脑中。从“化学剪刀”到“亚层化学”，他的目标始终如一：在原子尺度建立材料编辑的新方法。

今年5月，黄庆加入甬江实验室，出任层状材料编辑中心主任，开启新篇章——探索人工智能赋能材料创制的新范式，加速原创成果走向新能源、超导等应用。

“期待更多同行者加入这场探索，我们一起‘编辑’未来，一步步把科学设想变成现实！”

黄庆