高熵合金（HEA）納米材料在催化、電池等領域具有相當大的潛在應用，傳統(tǒng)方法中依賴快速冷卻凝固合成HEA，但難以控制產(chǎn)物的結構與形態(tài)，濕化學法可以在較低溫度合成且能調(diào)控粒徑、形態(tài)等，卻僅適用于熱力學平衡下可混溶的元素組合，目前仍缺乏能突破這些限制的創(chuàng)新合成方法，需要開發(fā)出新策略以實現(xiàn)HEA更靈活、精準的合成。近日，一項發(fā)表在《Nature》正刊上的研究打破了這些限制，該研究提出了一種“等溫凝固”策略，讓高熵合金的合成進入低溫、可控的新紀元。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09530-w

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該研究提出了一種“等溫凝固”的新方法，由勞倫斯伯克利國家實驗室等機構團隊完成，是在25-80℃的溫和條件下，通過“液-液界面反應”驅動高熵合金合成，關鍵在于用鎵（Ga）基液態(tài)金屬同時扮演“犧牲試劑”和“混合介質(zhì)”，最終實現(xiàn)了三大突破：

一、從離子到合金精準轉化，兩步反應“凍結”高熵

Ga基液態(tài)金屬與含金屬離子的水溶液接觸時，在界面發(fā)生定向還原反應，將金屬離子轉化為金屬原子。生成的金屬原子迅速溶解到Ga基液態(tài)金屬中，隨著Ga被不斷被消耗和外來金屬原子的持續(xù)融入，液態(tài)合金成分快速變化并進入“過冷狀態(tài)”，最終在恒溫下凝固，成功“鎖住”高熵狀態(tài)，形成高熵合金。

二、打破傳統(tǒng)合成局限，實現(xiàn)對高熵合金全方位控制

該研究通過調(diào)整反應溫度和金屬鹽濃度，可得到單晶、介晶、多晶甚至是非晶結構，如40℃-0.1M的條件下能生成高結晶度單晶，而80℃時可以形成多晶。該方法不僅能合成含Ga的高熵合金，還能讓Ga完全消耗掉得到無Ga的產(chǎn)品。

另外，還可以融入包括本質(zhì)不互溶的金屬在內(nèi)20種不同金屬元素，且元素分布均勻無偏析。通過改變Ga基液態(tài)金屬前驅體的球形、二維薄膜等形狀，能制備出0維實心球和多孔球、2維多孔納米片以及3維網(wǎng)絡結構和分級“葡萄串”狀等多種形態(tài)的高熵合金。

三、氫氣泡隱形作用，揭秘合成的關鍵機制

反應中Ga與溶液里的H?反應生成H?納米氣泡，這些氣泡會帶動液態(tài)金屬內(nèi)部循環(huán)流動，相當于充當了“隱形攪拌器”，大幅加速金屬元素混合。同時，凝固過程中還存在“振蕩凝固”，晶體結構在結晶態(tài)與非晶態(tài)間快速切換，這種動態(tài)過程能有效保留高熵狀態(tài)，避免元素分離。

圖文速覽

低溫等溫凝固合成高熵體的基本原理

在60°C下通過原位液相透射電鏡顯示了HEA-NPs形成的等溫凝固機制

合金化和結晶過程中的結構波動

不同結晶度和形貌的HEA-NPs的控制合成

等溫凝固法合成成分、形貌和結晶度可控的HEA納米材料的有效方法

END

該研究提出了一種等溫凝固新策略，該方法以Ga基液態(tài)金屬為介質(zhì)，在25-80℃低溫下通過液-液界面反應合成高熵合金（HEAs），能夠精準調(diào)控HEAs的結晶度，可最多熔入20種元素和制備0-3維形態(tài)，突破了傳統(tǒng)的合成局限，為HEAs應用奠定基礎。