我国学者在非晶金属材料领域取得新进展

　　

图 采用超快皮秒脉冲激光技术，在无水乙醇（作为助熔剂）中液相烧蚀制备的单质非晶金和多种单质非晶金属，
以及非晶形成和稳定性机制

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52192601、52192602、52071222、61888102、11790291、22172003、52001219、52301214和52130108）等资助下，松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所白海洋研究员、汪卫华院士，松山湖材料实验室柯海波研究员和北京大学周继寒研究员等在非晶金属材料领域取得突破性进展，相关研究成果以“突破单质金属的非晶化极限（Breaking the vitrification limitation of monatomic metals）”为题，于2024年7月30日在《自然?材料》（Nature Materials）上发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01967-0。

　　常规物质通常被划分为气体、液体和固体三大类。如果所有物质都能通过“冷冻”转化为非晶态，这将证明非晶态是常规物质的第四态，也是物质的基本态之一。上世纪50年代，Turnbull 提出了一个关键问题：“所有物质都能转化为非晶态吗？”他预测，当金属的过冷度足够大时，可以通过快速冷却形成非晶态。尤其是，如果能将非晶形成能力最弱的单质金属转化为稳定的非晶态，将为非晶态是物质的基本属性提供有力证据。Kauzmann在1948年提出的熵危机理论认为，液体形成非晶态是热力学的必然结果。然而，单质金属的非晶形成能力极弱，据理论估算，需要每秒超过十亿度的冷速（约10¹⁰ K/s）才能实现非晶化。而即使如此，得到的非晶单质金属在室温下也极不稳定而晶化。一个世纪以来，各国科学家为实现单质非晶金属的制备付出了不懈努力，但仅能够使个别单质金属（如钽）实现非晶化。如何发展普适的制备技术，实现所有类型单质金属的非晶化，并且能在室温下保持稳定，是非晶物质科学和材料领域的重大挑战。

　　最近，白海洋研究员团队发明了一种普适的单质非晶金属制备策略，即结合原子制造和高通量制造的思想，将古老助熔剂工艺与现代激光急冷技术相结合，成功实现了各种单质金属的非晶化，包括最难非晶化的面心立方（fcc）结构的金和银，制备为室温稳定的非晶态。这一突破首次从实验上证明了所有单质金属都能形成非晶态，证实了非晶态是物质的本征态和基本属性之一。在研究中，团队采用超快皮秒脉冲激光技术，利用无水乙醇液体介质作为助熔剂，对各种高纯单质金属靶材进行液相烧蚀。通过精细调控工艺参数，实现了接近10¹³ K/s的冷却速率，在液体介质的快速冷却和助熔剂效应的共同作用下，有效抑制了单质金属熔体的形核和生长过程，从而形成非晶。由于激光烧蚀这种原子制造方法能够产生大量具有不同能量和构型的颗粒，有可能捕获单质金属能量地形图中的各种不同稳定性的非晶构型，从而使得我们能够筛选到具有室温稳定性的单质非晶纳米颗粒（图）。这一成果突破了物质非晶形成能力的极限，解决了制备单质非晶金属的百年难题，为基于原子制造和构型高通量的非晶材料设计提供了新思路。