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我国研究生团队在原子世界成功“组装”新材料

文章来源：贤集网更新时间：2023-07-07 15:33:39

近日，Nature（《自然》）以长文（Article）形式发表了武汉大学化学与分子科学学院、高等研究院付磊团队关于液态金属的最新研究成果。论文题目为“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”（液态金属用于高熵合金纳米颗粒的合成）。武汉大学为第一署名单位。武汉大学付磊团队的博士研究生曹光辉、梁晶晶、杨柯娜以及南方科技大学郭增龙为共同第一作者。

高熵合金是一种由五种或五种以上主元金属组成的新型合金，在极端条件下结构力学、能源转换与存储、医疗器械等领域具有重要的应用前景。

实现高熵合金的原子级精准制造是其应用的基础。不同元素的物理化学性质差异会限制元素间的均匀混溶，不仅理想的高熵态难以获得，元素的选择也备受限制。根据吉布斯函数，高熵合金的合成通常依赖苛刻的高温反应条件（增大熵因子的贡献）来克服原子间不混溶性，并通过淬火等方式保持高熵态。在温和条件下实现高熵合金的多组元原子混溶有利于其可规模化、可定制化的精准制造，而这个目标极具挑战。

为了克服这个问题，武汉大学付磊和曾梦琪教授团队发展了一种全新的液态金属辅助高熵合金纳米颗粒合成方法，能在较温和的实验条件下获得多种元素均匀互溶的高熵合金纳米颗粒

另辟蹊径，建立液态金属生长体系

付磊团队独辟蹊径，以“混合焓”为切入点，降低反应吉布斯自由能变，采用兼具负混合焓特性和流动性的液态金属，实现了温和条件下各类高熵合金体系的原子制造。液态金属（如镓）与大多数金属间亲和性好，混合焓为负值；且流动性良好，可加速传质，促进元素的均匀分散和合金化反应的进行。由此，在液态金属反应体系中，可在温和条件下实现高熵合金的多组元原子混溶，极大拓展了高熵合金的组分选择空间，有望促进其在更多关键领域的应用。

什么是液态金属？

“液态金属没有固定的晶格结构，原子团簇间不断发生着重组，就像我们日常看到的湖水一样，每一滴水在湖面上的位置都是动态、不可区分的。”付磊介绍。正是由于这些特性，液态金属在材料原子制造领域展现出巨大的应用潜能。

传统使用的固态金属催化剂表面存在多种缺陷，会导致二维原子晶体的不均匀成核及生长。降低催化剂表面的缺陷，是科学家努力的方向。付磊另辟蹊径：“兵无常势，水无常形，不如选用一个‘满是缺陷的表面’——液态金属表面，来实现二维原子晶体的均匀生长。”

利用液态金属表面层离、可变形性、可流动性和体相多空位的特点，付磊团队实现了原子级精准制造和组装二维原子晶体。

成就的背后是20多年来的坚持。

2001年，付磊从武汉大学毕业，到中国科学院化学研究所攻读博士学位，开展碳纳米管精准合成的相关研究。2008年完成博士后研究，付磊加入北京大学着力实现二维原子晶体的精准合成，其间他发展了偏析生长方法，实现了晶圆级二维原子晶体的制备，提出二元合金策略，首次实现了严格单层二维原子晶体的生长。

2012年，付磊回到母校，入职武汉大学化学与分子科学学院，创建了原子制造实验室，组建团队致力于原子晶体的精准合成。此后，他将液态金属反应体系实现二维原子晶体的原子制造定为科研目标。

在付磊看来，探索未知的乐趣与将未知变成现实的成就感，是科研的巨大动力。在他眼中，各个化学元素都有“独特的性格”。如何聚焦各元素的差异性、精准组装成特定的功能结构，创制出具有新效应的新材料，是最让他着迷的事情。

直面挑战，将不可能变为可能

经过不断探索，付磊团队取得新突破：基于液态金属体系，实现了温和条件下多种高熵合金体系的原子制造。他们的发现，极大拓展了高熵合金的组分选择空间，有望促进其在更多关键领域的应用。

高熵合金是一种由5种及以上主元金属组成的新型合金，在极端条件下结构力学、能源转换与存储、医疗器械等领域具有重要的应用前景。但要让这么多种金属原子按照设计均匀混溶，需要克服元素之间性质差异大、不相容等难题。

“就像四五个人，他们性格不同、喜好不一，要把他们变成一个高度融合、不离不散的共同体并不容易。”付磊描述，“目前科学家们想要实现各种金属的强行融合，得依赖苛刻的高温反应条件来克服原子间不混溶性，并通过淬火等方式保持高熵态。”

在此工作中，武汉大学付磊和曾梦琪团队提出液态金属在合成高熵合金纳米颗粒方面具有独特的优势：一方面，它与许多金属元素的混合焓相对较负，可以为多种金属元素的混合提供稳定的热力学条件；另一方面，液态金属的流动性能够为不同元素之间的混合提供充分的动力学条件，能够在温和的反应条件下合成宽熔点范围（303–3683 K）和宽原子半径范围（1.24–1.97 Å）的高熵合金纳米颗粒。此外，进一步通过混合焓的调控，实现了高熵合金纳米颗粒中不同的元素混合态。

高熵合金纳米颗粒具有较高的表面活性，容易被空气氧化并吸附环境中的碳氢化合物，制约着样品的表征和物性的测试。南方科技大学林君浩副教授课题组自主搭建的全惰性氛围保护的手套箱互联系统（GIS）实现了从样品生长、转移、后处理、原子级结构表征到物性测试的全惰性氛围保护，极大地降低了高熵合金纳米颗粒的表面氧化与污染，对于研究高表面活性的高熵合金纳米颗粒具有独特的优势。

在温和条件下实现高熵合金的多组元原子均匀混溶是可规模化、可定制化精准制造的前提，这个目标极具挑战性，而付磊团队最终做到了。付磊说：“科研最大的魅力就是能将不可能变为可能。”

不拘一格，鼓励学生大胆探索

多年来，付磊获得过国家杰出青年科学基金资助、湖北省自然科学奖一等奖、中国化学会青年化学奖、“湖北省青年五四奖章”等荣誉。付磊说：“中国有句古话——‘致广大而尽精微’，我常常对学生们说，我们做科研也要在尽精微中致广大，这个‘广大’就是服务国家、服务社会。”

谈及教学，付磊坚持既要培养学生的个性，鼓励学生不拘一格地创造，又要培养学生对科研一丝不苟的严谨态度和敏感度。

付磊喜欢与学生探讨课题。他常鼓励学生要基于兴趣去探索，“就像是在泳池里随着灵感，自由游动，找到适合自己的科研方式。我会尽责地当一个合适的‘水位计’，适时提醒水深水浅，帮学生把握好方向。”

对于学生提出的不同意见，付磊总是饶有兴趣地与他们讨论各种思路的走向，用科研积淀帮学生们梳理想法。在他那间小小的办公室里，曾无数次传出学生们争辩课题的声音。“大家相互交流、思想碰撞，共同推进课题交叉融合。”博士研究生汪璐阳说。

“科研的道路布满荆棘，日常的研究工作经常与失败相伴。”付磊坦言，科研课题陷入僵局，甚至濒临放弃都是常有的事情，这个时候，他会和学生沟通，有时是新思路，有时是对课题的重新思考，有时是一些温暖的鼓励，让学生依然保持坚持和专注，保有对科研的热情与信心。

“刚到实验室的那段时间，我经历了很多次挫折，甚至一度想换课题方向。但付老师一直告诉我，做科研不要总想着‘赶时髦’，要能沉下心来认真思考。”博士研究生梁晶晶说。几名博士研究生一直记得付老师鼓励他们的话：失败和等待都是一种蛰伏，为的是厚积薄发的时刻。

“我们要对知识有尊重，对学术有敬仰，对创新有追求，对使命有担当，这是科研人的责任感和使命感。”付磊说，希望和更多青年研究者在未知的道路上并肩前行。

文章来源：南方科技大学，人民日报，武汉大学

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