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我國(guó)研究生團(tuán)隊(duì)在原子世界成功“組裝”新材料
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-07-07 15:33:39
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近日，Nature（《自然》）以長(zhǎng)文（Article）形式發(fā)表了武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院、高等研究院付磊團(tuán)隊(duì)關(guān)于液態(tài)金屬的最新研究成果。論文題目為“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”（液態(tài)金屬用于高熵合金納米顆粒的合成）。 武漢大學(xué)為第一署名單位。 武漢大學(xué)付磊團(tuán)隊(duì)的博士研究生曹光輝、梁晶晶、楊柯娜以及南方科技大學(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)、能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。 實(shí)現(xiàn)高熵合金的原子級(jí)精準(zhǔn)制造是其應(yīng)用的基礎(chǔ)。不同元素的物理化學(xué)性質(zhì)差異會(huì)限制元素間的均勻混溶，不僅理想的高熵態(tài)難以獲得，元素的選擇也備受限制。根據(jù)吉布斯函數(shù)，高熵合金的合成通常依賴苛刻的高溫反應(yīng)條件（增大熵因子的貢獻(xiàn)）來克服原子間不混溶性，并通過淬火等方式保持高熵態(tài)。在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高熵合金的多組元原子混溶有利于其可規(guī)模化、可定制化的精準(zhǔn)制造，而這個(gè)目標(biāo)極具挑戰(zhàn)。 為了克服這個(gè)問題，武漢大學(xué)付磊和曾夢(mèng)琪教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種全新的液態(tài)金屬輔助高熵合金納米顆粒合成方法，能在較溫和的實(shí)驗(yàn)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(tài)金屬生長(zhǎng)體系 付磊團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，以“混合焓”為切入點(diǎn)，降低反應(yīng)吉布斯自由能變，采用兼具負(fù)混合焓特性和流動(dòng)性的液態(tài)金屬，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下各類高熵合金體系的原子制造。液態(tài)金屬（如鎵）與大多數(shù)金屬間親和性好，混合焓為負(fù)值；且流動(dòng)性良好，可加速傳質(zhì)，促進(jìn)元素的均勻分散和合金化反應(yīng)的進(jìn)行。由此，在液態(tài)金屬反應(yīng)體系中，可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)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(jìn)其在更多關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。 什么是液態(tài)金屬？ “液態(tài)金屬?zèng)]有固定的晶格結(jié)構(gòu)，原子團(tuán)簇間不斷發(fā)生著重組，就像我們?nèi)粘？吹降暮粯樱恳坏嗡诤嫔系奈恢枚际莿?dòng)態(tài)、不可區(qū)分的。”付磊介紹。正是由于這些特性，液態(tài)金屬在材料原子制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。 傳統(tǒng)使用的固態(tài)金屬催化劑表面存在多種缺陷，會(huì)導(dǎo)致二維原子晶體的不均勻成核及生長(zhǎng)。降低催化劑表面的缺陷，是科學(xué)家努力的方向。付磊另辟蹊徑：“兵無常勢(shì)，水無常形，不如選用一個(gè)‘滿是缺陷的表面’——液態(tài)金屬表面，來實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的均勻生長(zhǎng)。” 利用液態(tài)金屬表面層離、可變形性、可流動(dòng)性和體相多空位的特點(diǎn)，付磊團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)精準(zhǔn)制造和組裝二維原子晶體。 成就的背后是20多年來的堅(jiān)持。 2001年，付磊從武漢大學(xué)畢業(yè)，到中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位，開展碳納米管精準(zhǔn)合成的相關(guān)研究。2008年完成博士后研究，付磊加入北京大學(xué)著力實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的精準(zhǔn)合成，其間他發(fā)展了偏析生長(zhǎng)方法，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)二維原子晶體的制備，提出二元合金策略，首次實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格單層二維原子晶體的生長(zhǎng)。 2012年，付磊回到母校，入職武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，創(chuàng)建了原子制造實(shí)驗(yàn)室，組建團(tuán)隊(duì)致力于原子晶體的精準(zhǔn)合成。此后，他將液態(tài)金屬反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的原子制造定為科研目標(biāo)。 在付磊看來，探索未知的樂趣與將未知變成現(xiàn)實(shí)的成就感，是科研的巨大動(dòng)力。在他眼中，各個(gè)化學(xué)元素都有“獨(dú)特的性格”。如何聚焦各元素的差異性、精準(zhǔn)組裝成特定的功能結(jié)構(gòu)，創(chuàng)制出具有新效應(yīng)的新材料，是最讓他著迷的事情。 直面挑戰(zhàn)，將不可能變?yōu)榭赡?/span> 經(jīng)過不斷探索，付磊團(tuán)隊(duì)取得新突破：基于液態(tài)金屬體系，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造。他們的發(fā)現(xiàn)，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進(jìn)其在更多關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)力學(xué)、能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。但要讓這么多種金屬原子按照設(shè)計(jì)均勻混溶，需要克服元素之間性質(zhì)差異大、不相容等難題。 “就像四五個(gè)人，他們性格不同、喜好不一，要把他們變成一個(gè)高度融合、不離不散的共同體并不容易。”付磊描述，“目前科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)各種金屬的強(qiáng)行融合，得依賴苛刻的高溫反應(yīng)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(tài)。” 在此工作中，武漢大學(xué)付磊和曾夢(mèng)琪團(tuán)隊(duì)提出液態(tài)金屬在合成高熵合金納米顆粒方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：一方面，它與許多金屬元素的混合焓相對(duì)較負(fù)，可以為多種金屬元素的混合提供穩(wěn)定的熱力學(xué)條件；另一方面，液態(tài)金屬的流動(dòng)性能夠?yàn)椴煌刂g的混合提供充分的動(dòng)力學(xué)條件，能夠在溫和的反應(yīng)條件下合成寬熔點(diǎn)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(jìn)一步通過混合焓的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了高熵合金納米顆粒中不同的元素混合態(tài)。 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(huán)境中的碳?xì)浠衔铮萍s著樣品的表征和物性的測(cè)試。南方科技大學(xué)林君浩副教授課題組自主搭建的全惰性氛圍保護(hù)的手套箱互聯(lián)系統(tǒng)（GIS）實(shí)現(xiàn)了從樣品生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移、后處理、原子級(jí)結(jié)構(gòu)表征到物性測(cè)試的全惰性氛圍保護(hù)，極大地降低了高熵合金納米顆粒的表面氧化與污染，對(duì)于研究高表面活性的高熵合金納米顆粒具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高熵合金的多組元原子均勻混溶是可規(guī)模化、可定制化精準(zhǔn)制造的前提，這個(gè)目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性，而付磊團(tuán)隊(duì)最終做到了。付磊說：“科研最大的魅力就是能將不可能變?yōu)榭赡堋?rdquo; 不拘一格，鼓勵(lì)學(xué)生大膽探索 多年來，付磊獲得過國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助、湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、“湖北省青年五四獎(jiǎng)?wù)?rdquo;等榮譽(yù)。付磊說：“中國(guó)有句古話——‘致廣大而盡精微’，我常常對(duì)學(xué)生們說，我們做科研也要在盡精微中致廣大，這個(gè)‘廣大’就是服務(wù)國(guó)家、服務(wù)社會(huì)。” 談及教學(xué)，付磊堅(jiān)持既要培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性，鼓勵(lì)學(xué)生不拘一格地創(chuàng)造，又要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科研一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和敏感度。 付磊喜歡與學(xué)生探討課題。他常鼓勵(lì)學(xué)生要基于興趣去探索，“就像是在泳池里隨著靈感，自由游動(dòng)，找到適合自己的科研方式。我會(huì)盡責(zé)地當(dāng)一個(gè)合適的‘水位計(jì)’，適時(shí)提醒水深水淺，幫學(xué)生把握好方向。” 對(duì)于學(xué)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(xué)生們梳理想法。在他那間小小的辦公室里，曾無數(shù)次傳出學(xué)生們爭(zhēng)辯課題的聲音。“大家相互交流、思想碰撞，共同推進(jìn)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(jīng)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(gè)時(shí)候，他會(huì)和學(xué)生溝通，有時(shí)是新思路，有時(shí)是對(duì)課題的重新思考，有時(shí)是一些溫暖的鼓勵(lì)，讓學(xué)生依然保持堅(jiān)持和專注，保有對(duì)科研的熱情與信心。 “剛到實(shí)驗(yàn)室的那段時(shí)間，我經(jīng)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(shí)髦’，要能沉下心來認(rèn)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(lì)他們的話：失敗和等待都是一種蟄伏，為的是厚積薄發(fā)的時(shí)刻。 “我們要對(duì)知識(shí)有尊重，對(duì)學(xué)術(shù)有敬仰，對(duì)創(chuàng)新有追求，對(duì)使命有擔(dān)當(dāng)，這是科研人的責(zé)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(xué)，人民日?qǐng)?bào)，武漢大學(xué) 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_529276.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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