在傳統(tǒng)觀念中，物質(zhì)通常被劃分為氣體、液體和固體三大類。如果所有物質(zhì)都能在實驗上通過“冷凍”過程轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，這將證明非晶態(tài)是常規(guī)物質(zhì)的第四態(tài)，也即非晶態(tài)是物質(zhì)的基本狀態(tài)之一。在探索非晶態(tài)物質(zhì)的形成研究中，Turnbull 在上世紀 50 年代提出一個關鍵問題：“所有物質(zhì)都能轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)嗎？”他預測，當金屬的過冷度足夠大時，可以通過快速冷卻形成非晶態(tài)。他指出，如果能將非晶形成能力最弱的單質(zhì)金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的非晶態(tài)，這將為非晶態(tài)是物質(zhì)的基本屬性提供最有力的證據(jù)。

根據(jù) Kauzmann 在 1948 年提出了著名的熵危機理論(液體不能無限過冷，當液體冷到某個溫度點，如果液體繼續(xù)過冷，由于液體的熵不能低于相應晶體固體的熵，因此它必然要通過玻璃轉(zhuǎn)變形成非晶態(tài)，否則將引發(fā)熵危機)，一種液體形成非晶態(tài)是熱力學的必然。但是，單質(zhì)金屬的非晶形成能力極其低弱，據(jù)理論估算，需要每秒十億度以上的冷卻速率（10¹⁰/s），才能實現(xiàn)單質(zhì)金屬的非晶化，而且這樣得到的非晶單質(zhì)金屬在室溫下極不穩(wěn)定，會在分分鐘內(nèi)晶化。一個世紀以來，為了獲得單質(zhì)非晶金屬，各國科學家進行了長期不懈的努力嘗試，但僅能夠使個別單質(zhì)金屬（如鉭）實現(xiàn)非晶化。如何發(fā)展普適的制備技術，實現(xiàn)所有類型單質(zhì)金屬的非晶化，并且能在室溫下保持穩(wěn)定，是非晶物質(zhì)科學和材料領域的重大挑戰(zhàn)和科學“圣杯”。

近期，松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所汪衛(wèi)華院士團隊借助原子制造及材料基因工程高通量的思想，利用現(xiàn)代激光快冷和古老的制備玻璃的助熔劑相結合的工藝，成功地將所有類型十多種單質(zhì)金屬，包括最難以實現(xiàn)非晶化的面心立方（fcc）單質(zhì)金和銀，制備成為室溫穩(wěn)定的非晶態(tài)。該成果首次從實驗上證明了所有的單質(zhì)金屬都能形成非晶態(tài)，非晶態(tài)是常規(guī)物質(zhì)的本征態(tài)和基本物質(zhì)屬性之一。

本研究采用超快皮秒脈沖激光技術，在無水乙醇液體介質(zhì)（作為助熔劑）中對各種單質(zhì)高純金屬靶材進行液相燒蝕。通過精細調(diào)控制備參數(shù)，用無水乙醇作為液體保護冷卻介質(zhì)、避免非均勻形核，實現(xiàn)了接近10¹³ K s^-1的快速冷卻速率，可成功抑制單質(zhì)金屬晶體的形核和生長過程。由于激光燒蝕這種原子制造方法能夠產(chǎn)生大量具有不同能量和構型的顆粒，有可能捕獲單質(zhì)金屬能量地形圖中的各種不同穩(wěn)定性的非晶構型，從而使得我們能夠篩選到具有室溫穩(wěn)定性的單質(zhì)非晶納米顆粒。 采用這種技術成功地將各種金屬單質(zhì)納米顆粒轉(zhuǎn)變成單質(zhì)非晶態(tài)顆粒（見圖1）。

圖2 電鏡下原位電子輻照單質(zhì)非晶金和釕的無序-有序轉(zhuǎn)變