探索磁性：碰磁的力量

探索磁性：碰磁的力量材料处于强磁场中所产生的“静磁能”会改变材料在合成过程中的“自由能”，影响材料的形核率和形核的选择性，为晶粒生长提供额外驱动力，甚至获得新的材料体系或自然界中不能稳定存在的亚稳相。磁场有这么大的作用，那么在材料的合成制备方面，又是如何发挥作用的呢？图2 磁场的应用（图片来源于网络）磁场，润物细无声地改变世界磁场，看不见、摸不着，可是它能润物细无声地将能量无接触地传递到物质的分子、原子尺度，导致相应的化学键松弛，元素价态变化，诱发新的物理化学变化，改变原子和分子的排列匹配和迁移等行为，影响材料的微结构和性能。

谈到磁场，人们首先会想到地球吧？对，地球周围就笼罩着一个大磁场，人们叫它“地球磁场”。

图1 地球磁场（图片来源于网络）

地球磁场其实非常弱，大约只有0.5高斯，还没有一块磁铁强。但是，你可千万别小看这个弱磁场，它是自然界馈赠给人类的珍贵礼物。

随着科学技术的不断发展，人们开始主动利用磁场作为工具去改变世界，例如医学领域的核磁共振技术，以及交通运输领域的磁悬浮列车的发明都大大地造福着人类。

图2 磁场的应用（图片来源于网络）

磁场，润物细无声地改变世界

磁场，看不见、摸不着，可是它能润物细无声地将能量无接触地传递到物质的分子、原子尺度，导致相应的化学键松弛，元素价态变化，诱发新的物理化学变化，改变原子和分子的排列匹配和迁移等行为，影响材料的微结构和性能。

磁场有这么大的作用，那么在材料的合成制备方面，又是如何发挥作用的呢？

材料处于强磁场中所产生的“静磁能”会改变材料在合成过程中的“自由能”，影响材料的形核率和形核的选择性，为晶粒生长提供额外驱动力，甚至获得新的材料体系或自然界中不能稳定存在的亚稳相。

基于磁场在材料合成制备过程中的显著效果，目前欧美日等国已将磁场下的材料合成制备作为一种非常重要的技术手段，并提出了“磁塑工程”概念，也就是用磁场对材料进行塑造获得理想的性能。

二硫化钼（MoS₂）的孪生兄弟

我们再来说说二硫化钼（MoS₂）。MoS₂是一种典型的类石墨烯结构层状过渡金属二硫属化合物，它在光电、催化、储能等很多放面都有着广泛的应用，是近年来材料科学研究的热点。

MoS₂是由很多单层堆叠而成的，层与层之间由微弱的范德华力结合。每个单层由两层硫（S）原子与一层钼（Mo）原子堆叠形成三明治状的层状结构。

根据单层中硫（S）原子与钼（Mo）原子相对位置的微小区别，MoS₂又分成多种晶相。最常见的是2H相和1T相，我们可以形象的把他们比喻成一对孪生兄弟。别看这一对孪生兄弟长得像，他们“脾气”可大有不同。

2H相是半导体，1T相是金属，他们之间的电导率相差1000万倍！2H相较为稳定，而1T相是亚稳态，也就是说自然界中并不存在1T相。

图3 2H相MoS₂及1T相MoS₂结构示意图（图片来源于网络）

1T相MoS₂拥有优越的导电能力，在电化学储能，催化等领域有着突出的应用。一直以来，科学家们在绞尽脑汁想各种办法去获得稳定的、高纯的1T相MoS₂。

如何获得稳定的1T相MoS₂？

科学家发现，2H相MoS₂没有磁性，而1T相MoS₂有磁性。考虑到1T和2H相之间不同磁性特征，在强磁场下合成制备MoS₂时由于磁性不同而导致的磁自由能项有可能对MoS₂的晶相进行有效调控从而实现MoS₂体系的晶相工程。

图4 自主搭建的10T级强磁场装置

日前，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所朱雪斌研究员课题组在自主搭建的10万高斯级强磁场下材料合成制备平台上开展了水热法制备MoS₂方面的相关研究，合成了高度稳定的纯相1T-MoS₂材料。与强磁场中心、澳大利亚伍伦贡大学及固体所梁长浩研究员课题组合作发表论文，文章发表在ACS Nano上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b07744)。

这个超导磁体最高可以加10万高斯的磁场，10万高斯是多大呢？拿它和地球磁场相比的话，是地球磁场的大约20万倍。磁体的孔径为200mm 带冷却水循环系统的无磁加热套可垂直放置在磁体孔径中，由温控装置进行加热。

图5 有无磁场下MoS₂产物的晶体结构对比

研究结果表明，在外加强磁场条件下，可实现MoS₂的晶相调制。随外加磁场强度增加，合成材料中的1T相比例逐渐增加，当外加磁场为9万高斯时可获得纯相的1T相MoS₂。

更为重要的是，采用强磁场水热法合成制备的1T相MoS₂具有高度稳定性，即使在大气环境中放置一年也未见到明显退化。

这种方法为制备高度稳定的纯相的1T相过渡金属二硫属化合物提供了一条重要途径。同时也为强磁场下材料合成技术提供重要的参考。

来源：中国科学院合肥物质科学研究院

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