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我國研究生團隊在原子世界成功“組裝”新材料

文章來源：賢集網更新時間：2023-07-07 15:33:39

近日，Nature（《自然》）以長文（Article）形式發表了武漢大學化學與分子科學學院、高等研究院付磊團隊關于液態金屬的最新研究成果。論文題目為“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”（液態金屬用于高熵合金納米顆粒的合成）。武漢大學為第一署名單位。武漢大學付磊團隊的博士研究生曹光輝、梁晶晶、楊柯娜以及南方科技大學郭增龍為共同第一作者。

高熵合金是一種由五種或五種以上主元金屬組成的新型合金，在極端條件下結構力學、能源轉換與存儲、醫療器械等領域具有重要的應用前景。

實現高熵合金的原子級精準制造是其應用的基礎。不同元素的物理化學性質差異會限制元素間的均勻混溶，不僅理想的高熵態難以獲得，元素的選擇也備受限制。根據吉布斯函數，高熵合金的合成通常依賴苛刻的高溫反應條件（增大熵因子的貢獻）來克服原子間不混溶性，并通過淬火等方式保持高熵態。在溫和條件下實現高熵合金的多組元原子混溶有利于其可規模化、可定制化的精準制造，而這個目標極具挑戰。

為了克服這個問題，武漢大學付磊和曾夢琪教授團隊發展了一種全新的液態金屬輔助高熵合金納米顆粒合成方法，能在較溫和的實驗條件下獲得多種元素均勻互溶的高熵合金納米顆粒

另辟蹊徑，建立液態金屬生長體系

付磊團隊獨辟蹊徑，以“混合焓”為切入點，降低反應吉布斯自由能變，采用兼具負混合焓特性和流動性的液態金屬，實現了溫和條件下各類高熵合金體系的原子制造。液態金屬（如鎵）與大多數金屬間親和性好，混合焓為負值；且流動性良好，可加速傳質，促進元素的均勻分散和合金化反應的進行。由此，在液態金屬反應體系中，可在溫和條件下實現高熵合金的多組元原子混溶，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在更多關鍵領域的應用。

什么是液態金屬？

“液態金屬沒有固定的晶格結構，原子團簇間不斷發生著重組，就像我們日常看到的湖水一樣，每一滴水在湖面上的位置都是動態、不可區分的。”付磊介紹。正是由于這些特性，液態金屬在材料原子制造領域展現出巨大的應用潛能。

傳統使用的固態金屬催化劑表面存在多種缺陷，會導致二維原子晶體的不均勻成核及生長。降低催化劑表面的缺陷，是科學家努力的方向。付磊另辟蹊徑：“兵無常勢，水無常形，不如選用一個‘滿是缺陷的表面’——液態金屬表面，來實現二維原子晶體的均勻生長。”

利用液態金屬表面層離、可變形性、可流動性和體相多空位的特點，付磊團隊實現了原子級精準制造和組裝二維原子晶體。

成就的背后是20多年來的堅持。

2001年，付磊從武漢大學畢業，到中國科學院化學研究所攻讀博士學位，開展碳納米管精準合成的相關研究。2008年完成博士后研究，付磊加入北京大學著力實現二維原子晶體的精準合成，其間他發展了偏析生長方法，實現了晶圓級二維原子晶體的制備，提出二元合金策略，首次實現了嚴格單層二維原子晶體的生長。

2012年，付磊回到母校，入職武漢大學化學與分子科學學院，創建了原子制造實驗室，組建團隊致力于原子晶體的精準合成。此后，他將液態金屬反應體系實現二維原子晶體的原子制造定為科研目標。

在付磊看來，探索未知的樂趣與將未知變成現實的成就感，是科研的巨大動力。在他眼中，各個化學元素都有“獨特的性格”。如何聚焦各元素的差異性、精準組裝成特定的功能結構，創制出具有新效應的新材料，是最讓他著迷的事情。

直面挑戰，將不可能變為可能

經過不斷探索，付磊團隊取得新突破：基于液態金屬體系，實現了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造。他們的發現，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在更多關鍵領域的應用。

高熵合金是一種由5種及以上主元金屬組成的新型合金，在極端條件下結構力學、能源轉換與存儲、醫療器械等領域具有重要的應用前景。但要讓這么多種金屬原子按照設計均勻混溶，需要克服元素之間性質差異大、不相容等難題。

“就像四五個人，他們性格不同、喜好不一，要把他們變成一個高度融合、不離不散的共同體并不容易。”付磊描述，“目前科學家們想要實現各種金屬的強行融合，得依賴苛刻的高溫反應條件來克服原子間不混溶性，并通過淬火等方式保持高熵態。”

在此工作中，武漢大學付磊和曾夢琪團隊提出液態金屬在合成高熵合金納米顆粒方面具有獨特的優勢：一方面，它與許多金屬元素的混合焓相對較負，可以為多種金屬元素的混合提供穩定的熱力學條件；另一方面，液態金屬的流動性能夠為不同元素之間的混合提供充分的動力學條件，能夠在溫和的反應條件下合成寬熔點范圍（303–3683 K）和寬原子半徑范圍（1.24–1.97 Å）的高熵合金納米顆粒。此外，進一步通過混合焓的調控，實現了高熵合金納米顆粒中不同的元素混合態。

高熵合金納米顆粒具有較高的表面活性，容易被空氣氧化并吸附環境中的碳氫化合物，制約著樣品的表征和物性的測試。南方科技大學林君浩副教授課題組自主搭建的全惰性氛圍保護的手套箱互聯系統（GIS）實現了從樣品生長、轉移、后處理、原子級結構表征到物性測試的全惰性氛圍保護，極大地降低了高熵合金納米顆粒的表面氧化與污染，對于研究高表面活性的高熵合金納米顆粒具有獨特的優勢。

在溫和條件下實現高熵合金的多組元原子均勻混溶是可規模化、可定制化精準制造的前提，這個目標極具挑戰性，而付磊團隊最終做到了。付磊說：“科研最大的魅力就是能將不可能變為可能。”

不拘一格，鼓勵學生大膽探索

多年來，付磊獲得過國家杰出青年科學基金資助、湖北省自然科學獎一等獎、中國化學會青年化學獎、“湖北省青年五四獎章”等榮譽。付磊說：“中國有句古話——‘致廣大而盡精微’，我常常對學生們說，我們做科研也要在盡精微中致廣大，這個‘廣大’就是服務國家、服務社會。”

談及教學，付磊堅持既要培養學生的個性，鼓勵學生不拘一格地創造，又要培養學生對科研一絲不茍的嚴謹態度和敏感度。

付磊喜歡與學生探討課題。他常鼓勵學生要基于興趣去探索，“就像是在泳池里隨著靈感，自由游動，找到適合自己的科研方式。我會盡責地當一個合適的‘水位計’，適時提醒水深水淺，幫學生把握好方向。”

對于學生提出的不同意見，付磊總是饒有興趣地與他們討論各種思路的走向，用科研積淀幫學生們梳理想法。在他那間小小的辦公室里，曾無數次傳出學生們爭辯課題的聲音。“大家相互交流、思想碰撞，共同推進課題交叉融合。”博士研究生汪璐陽說。

“科研的道路布滿荊棘，日常的研究工作經常與失敗相伴。”付磊坦言，科研課題陷入僵局，甚至瀕臨放棄都是常有的事情，這個時候，他會和學生溝通，有時是新思路，有時是對課題的重新思考，有時是一些溫暖的鼓勵，讓學生依然保持堅持和專注，保有對科研的熱情與信心。

“剛到實驗室的那段時間，我經歷了很多次挫折，甚至一度想換課題方向。但付老師一直告訴我，做科研不要總想著‘趕時髦’，要能沉下心來認真思考。”博士研究生梁晶晶說。幾名博士研究生一直記得付老師鼓勵他們的話：失敗和等待都是一種蟄伏，為的是厚積薄發的時刻。

“我們要對知識有尊重，對學術有敬仰，對創新有追求，對使命有擔當，這是科研人的責任感和使命感。”付磊說，希望和更多青年研究者在未知的道路上并肩前行。

文章來源：南方科技大學，人民日報，武漢大學

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