MAX相（化學(xué)式M_n+1AX_n）是一類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)成鍵和獨特的晶體結(jié)構(gòu)，在高溫承載結(jié)構(gòu)、電力傳輸機構(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)組合空間讓實驗探索猶如“大海撈針”。傳統(tǒng)依賴實驗試錯的研發(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，折射出人類對自然規(guī)律理解認知的加深（圖1）：從早期的實驗試錯，到理論模型的構(gòu)建，再到計算科學(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、自然觀測到實驗表征、計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”研究策略的興起。科學(xué)家們不僅通過對廣泛數(shù)據(jù)實時、動態(tài)的監(jiān)測與分析來解決難以駕馭或不可觸及的科學(xué)問題，更是把數(shù)據(jù)作為科學(xué)研究的對象和工具，基于數(shù)據(jù)來思考、設(shè)計和實施科學(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、復(fù)用，更關(guān)心如何利用其內(nèi)在的交互性、開放性，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可知識對象化、可計算化，進而構(gòu)建起基于數(shù)據(jù)的研究與創(chuàng)新模式。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進核能材料實驗室長期從事結(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，實驗室積極推進數(shù)據(jù)科學(xué)方法賦能實驗、計算、建模與仿真，打破傳統(tǒng)以經(jīng)驗積累和循環(huán)試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”的研究方式，建立起集實驗、理論、計算和數(shù)據(jù)于一體的“理性設(shè)計”研究模式，進而提升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，實驗室發(fā)展了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)映射方法，提出了影響MAX 相形成能力的兩個關(guān)鍵設(shè)計變量（電子濃度因子 & 幾何結(jié)構(gòu)因子）并確定其表達形式，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，進而指導(dǎo)高效開發(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），實驗室已成功實現(xiàn)了多種新型MAX相材料的開發(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，通過更新幾何結(jié)構(gòu)因子的表達，并將多元MAX相材料納入分析（Ceram. Int. 2024, 50, 2855，圖5），將結(jié)構(gòu)映射圖的劃分準確率由92.1%進一步提升至95.5%。

近期，實驗室在學(xué)術(shù)期刊 AI & Materials 上發(fā)表綜述文章（AI Mater. 2025, 1, 0008），系統(tǒng)介紹了運用計算方法探索 MAX 相領(lǐng)域以發(fā)掘新型候選材料的歷史脈絡(luò)和最新進展，詳細討論了高通量第一性原理計算方法和結(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算的解析方法，結(jié)構(gòu)映射提供了對 MAX 相形成可能性的快速區(qū)分，進而為系統(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)計中階乘復(fù)雜性問題的強大工具。