面向信息、智能、电气化和航空航天在新时代的功能需求，材料科学研究是支持技术创新的基石，能够为各个领域的设备和系统赋予新的功能和特性，加速实现技术突破。MAX系列材料是一类具有六方结构（空间群为P63/mmc）的三元层状碳/氮化物，其中（M为过渡金属（28种），A为主族元素（29种），X主要为碳或氮（6种））。MAX相的原子结构可以看作是由共价键为主的[M6X]八面体结构和金属键为主的[M6A]三棱柱结构沿着c轴方向交替堆叠而成。由于其独特的晶体结构和广泛的元素包容性，使其兼具金属和陶瓷的双重特性。它们通常表现为高强度、高硬度、良好的导电性和导热性，且具有优异的耐磨性、抗腐蚀性和高温稳定性。MAX系列材料为材料科学、机械工程、航空航天等领域发展带来了新机遇。
图1. MAX系列材料的应用
吉林师范大学MXene材料联合实验室鲁铭、韩文娟、徐仕翀团队与东南大学应国兵教授合作，系统梳理了MAX系列材料的研究进展与未来挑战。MAX材料作为一类非范德华层状化合物，凭借其独特的六方晶体结构和广泛的元素包容性，兼具金属的导电、导热特性与陶瓷的高强度、高硬度优势，成为材料科学领域的研究热点。自20世纪60年代首次被发现以来，这类材料的研究经历了从结构解析到功能化应用的跨越式发展。随着合成技术的创新，层间有序MAX相、高熵MAX相及MXene等衍生材料的涌现，进一步拓宽了其应用场景，尤其在信息化、智能化和航空航天等领域展现出独特潜力。
MAX材料的多样性源于其对元素周期表中近半数元素的包容能力，目前已有28种过渡金属（M）、29种主族元素（A）和6种碳/氮（X）元素参与其结构构建。其晶体结构主要分为传统MAX相、互生MAX相和双A层MAX相三大类。传统MAX相（如Ti3SiC2）通过调节层数（n=1~6）实现性能梯度设计；互生MAX相（如Ti5S2C3）通过亚单元交替堆叠形成新对称性；双A层MAX相（如Mo2Ga2C）则突破单层A原子限制，衍生出特殊电子特性。此外，通过引入固溶体设计，研究者开发出原子级有序排列的o-MAX和i-MAX相，其中o-MAX通过层间异质金属堆叠实现功能调控，而i-MAX相因平面有序排列产生单斜或正交晶系，为性能定制提供了新思路。在合成策略方面，MAX材料的制备核心在于化学键重构与原子扩散平衡。固态反应法通过高温烧结实现块体材料低成本制备，但精度受限；熔盐法利用离子迁移加速合成Nb4AlC3等高复杂度材料，纯度可达99%；气相沉积技术则实现原子层级的薄膜精准构筑，推动了微电子器件应用。值得注意的是，弱M-A键赋予A原子高迁移率，这一特性既是合成优势，也为结构调控带来挑战。近年来，研究者通过调控反应动力学与热力学条件，成功实现了从大尺寸块体到纳米级薄膜的多尺度材料制备。
面对MAX材料多重复杂的组分组合方式，传统试错法效率低下，而人工智能与计算模拟的引入开启了“数据驱动”研发新范式。数据驱动的模拟和预测可将组分、结构和性质建立数字关联，指导新元素的引入、晶体结构和性质预测，助力MAX系列材料开发。引入大语言模型，迭代算法，算力设施性能提升等综合技术应用，有望推动从现有数据分析到推理未知能力的转变，为探索开发MAX，理解结构、组成和性质关联，开辟了新的途径。推动MAX系列材料的研究从经验驱动转向“数据+AI驱动”。这种“理论预测-实验验证”闭环模式，正推动MAX材料研究从经验驱动向智能化转型。
MAX材料的性能优势体现在多维度：其层状结构中的强M-X键保障了高温下的机械稳定性，弱M-A键则赋予优异的抗热震性和可加工性。通过合金化与纳米化改性，材料导电性可提升3个数量级，硬度突破20GPa，抗氧化温度延伸至1600℃。这些特性支撑了其跨领域应用——粉末形态用于催化与储能，块体材料制成航空发动机耐高温部件，薄膜涂层则在5G通信电磁屏蔽中表现卓越。
作为一种多元素材料体系，MAX材料的性能调控依赖于原子结构和微观几何形貌的精准设计，而其大规模应用的关键在于制备技术的持续创新。未来，通过跨学科的深度融合，例如结合计算材料学、人工智能、先进表征手段与新型合成技术，可加速MAX材料的研发进程，推动其在高端制造、航空航天、能源存储等领域的广泛应用。这一协同创新模式或将开启MAX材料研究的新纪元，为功能材料的发展带来革命性突破。
相关综述以“MAX系列材料的多样性、合成、预测、性质及功能应用”（A review of MAX series materials: From diversity, synthesis, prediction, properties oriented to functions）为题，发表于Nano-Micro Letters杂志。
吉林师范大学物理学院研究生张建为论文的第一作者，徐仕翀、鲁铭、韩文娟以及东南大学应国兵教授为该论文的通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01673-9
MXene材料联合实验室“The joint laboratory of MXene Materials”，于2023年获得吉林省教育厅、吉林省工业和信息化厅立项建设。现有在职科研人员20人，包括：正教授/正高级实验师4人、副教授8人、中级8人；在读博士研究生4人，硕士研究生20人。
团队聚焦MAX/MXene系列材料创新制备、结构解析、微结构调控和功能应用开发。创新实现MAX相陶瓷材料的纳米化，开发了无氟绿色的MXene可控制备技术，揭示了MXene层间环境与离子插层储能相互作用机制，提出了理性设计MXene基离子插层电极规则，优化了MXene作为电化学电极材料的功能应用，构筑了MXene基新概念离子电池储能体系。发表SCI收录论文100余篇，授权专利10余项，承担MAX/MXene材料相关科技项目16项，企业横向课题4项，获吉林省自然科学二等奖1项，三等奖1项，已实现MXene粉体、薄膜、气凝胶、量子点等相关产品规模化生产，相关产品已注册商标，MAX/MXene材料系列产品产品远销新加坡、日本、德国等国家，累计为属地企业创造产值1000余万元。
未来联合实验室将持续深入推进教育、科技、人才、产业融合协同创新，创新科研主体模式。基于高校“人才链”突破MAX、MXene材料专利壁垒，融合属地新材料企业“产业链”，探索材料体系“创新链”，借助企业“资金链”开发MAX、MXene材料功能应用价值，以高水平新材料科技创新赋能区域经济高质量发展。
