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《Nature》子刊：中科院物理所發(fā)展出制備單質(zhì)非晶金屬的普適策略！

2024-09-05 13:21:27 作者：中國科學院物理研究所來源：材料學網(wǎng) 分享至：

傳統(tǒng)觀念中，物質(zhì)被劃分為氣體、液體和固體。如果所有物質(zhì)均可在實驗上通過“冷凍”過程轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，將證明非晶態(tài)是常規(guī)物質(zhì)的第四態(tài)即非晶態(tài)是物質(zhì)的基本狀態(tài)之一。在非晶態(tài)物質(zhì)形成的研究中，有學者提出了“所有物質(zhì)都能轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)？”這一關(guān)鍵問題，并預(yù)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)。如果能夠?qū)⒎蔷纬赡芰ψ钊醯膯钨|(zhì)金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的非晶態(tài)，將為非晶態(tài)是物質(zhì)的基本屬性提供證據(jù)。

此前，熵危機理論認為，液體形成非晶態(tài)是熱力學的必然。然而，單質(zhì)金屬的非晶形成能力低弱。理論估算顯示，需要每秒十億度以上的冷卻速率，才能實現(xiàn)單質(zhì)金屬的非晶化。而這樣得到的非晶單質(zhì)金屬在室溫下極不穩(wěn)定，會在幾分鐘內(nèi)晶化。一個世紀以來，為了獲得單質(zhì)非晶金屬，科學家進行了嘗試，卻僅能夠使個別單質(zhì)金屬實現(xiàn)非晶化。如何發(fā)展普適的制備技術(shù)，實現(xiàn)所有類型單質(zhì)金屬的非晶化并在室溫下保持穩(wěn)定，是非晶物質(zhì)科學和材料領(lǐng)域的重要問題。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(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)代激光快冷與古老的制備玻璃的助熔劑相結(jié)合的工藝，將所有類型十多種單質(zhì)金屬包括最難以實現(xiàn)非晶化的面心立方單質(zhì)金和銀制備為室溫穩(wěn)定的非晶態(tài)。該成果在實驗上證明所有類型的單質(zhì)金屬均可形成非晶態(tài)，且非晶態(tài)是常規(guī)物質(zhì)的本征態(tài)和基本物質(zhì)屬性之一。

該研究采用超快皮秒脈沖激光技術(shù)，在無水乙醇液體介質(zhì)中對各種單質(zhì)高純金屬靶材進行液相燒蝕。研究通過調(diào)控制備參數(shù)，以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(gòu)型的顆粒，有可能捕獲單質(zhì)金屬能量地貌圖中各種不同穩(wěn)定性的非晶構(gòu)型，從而篩選到具有室溫穩(wěn)定性的單質(zhì)非晶納米顆粒。這一技術(shù)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。

為了驗證所制備的納米顆粒為非晶態(tài)單質(zhì)金屬，該團隊采用雙球差矯正透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、X射線光電子能譜等先進表征技術(shù)，對多種晶體類型的單質(zhì)金屬的非晶樣品進行了原子結(jié)構(gòu)、成分和電子價態(tài)等分析，證實了樣品的非晶單質(zhì)特性。同時，原位電子輻照實驗發(fā)現(xiàn)，單質(zhì)非晶結(jié)構(gòu)向晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程，無序-有序轉(zhuǎn)變后的晶格常數(shù)與該金屬的晶體晶格常數(shù)相匹配。研究顯示，不同單質(zhì)非晶之間、同一單質(zhì)非晶的不同樣品之間在電子輻照下的穩(wěn)定性存在差異，表明非晶態(tài)單質(zhì)金屬的穩(wěn)定性與其構(gòu)型相關(guān)，證實這種構(gòu)型高通量的方法可以有助于篩選出不同構(gòu)型和不同穩(wěn)定性的單質(zhì)非晶。這一技術(shù)實現(xiàn)了所有結(jié)構(gòu)類型單質(zhì)金屬的非晶化，并驗證了該方法的普適性。

科研人員揭示了這一方法形成單質(zhì)非晶金屬的機制。當激光照射靶材時，生成大量熔融態(tài)的納米顆粒進入液體介質(zhì)并即刻被包裹，液體介質(zhì)提供高達10¹³ K s^-1的冷卻速率，使納米顆粒迅速冷卻，同時液體介質(zhì)的包裹為熔融金屬納米顆粒提供了無容器/無雜質(zhì)的冷卻環(huán)境，可抑制其非均勻形核。因此，在快速冷卻和助熔劑效應(yīng)的協(xié)同作用下，該工作實現(xiàn)了單質(zhì)金屬非晶形成能力的突破。分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，快速冷卻和助熔劑協(xié)同作用能夠降低非均勻形核的概率，推遲單質(zhì)金屬冷卻的TTT曲線的鼻尖孕育時間，促進非晶結(jié)構(gòu)的形成。單質(zhì)金屬納米顆粒的構(gòu)型高通量，為在能量地形圖中捕獲高穩(wěn)定性的單質(zhì)非晶納米顆粒提供了機會。模擬結(jié)果揭示了單質(zhì)非晶的穩(wěn)定性與其原子構(gòu)型之間的關(guān)系。高穩(wěn)定單質(zhì)非晶的原子結(jié)構(gòu)包含更多類二十面體團簇。這些團簇展現(xiàn)出較高的五重對稱性。而不穩(wěn)定單質(zhì)非晶中則包含更多類晶體團簇。這些團簇具有較高的四重或六重對稱性。類二十面體團簇在原子結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的強拓撲阻挫是穩(wěn)定單質(zhì)非晶結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

相關(guān)研究成果以Breaking the vitrification limitation of monatomic metals為題，發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)重大研究項目等的支持。