作為一種新型的合金材料，金屬玻璃（又稱非晶合金）自從被發現以來因其獨特的無序原子結構排列和優異的性能而受到了人們的廣泛關注。金屬玻璃相比較于傳統的合金材料具有許多優異的物理和化學性能，如高強度、大彈性、獨特的熱塑性能、優異的耐磨性和催化性能等等。然而在金屬玻璃的眾多性能之中，其獨特熱塑性能極大地擴寬了其在科學以及工程領域上的應用。金屬玻璃的熱塑性能是指當金屬玻璃被加熱到特定的溫度區間時，它將從室溫表現的硬脆特性轉變為超塑性。利用這一性能，金屬玻璃可以在該溫度區間進行從原子尺度到宏觀尺度的跨尺度成型，還可以像膠水一樣對各種材料進行粘接制備性能可調控的復合材料(Mater. Horiz. 8.6, (2021):1690-1699)。

近日，深圳大學研究人員利用該特性能在金屬玻璃的微納制造和光熱功能應用上開展了一系列工作。相關研究內容已發表于期刊Fundamental Research, SCIENCE CHINA Materials, Nano Energy和 Advanced Engineering Materials。

相關研究成果簡介：

與以往通過調節元素配比來發現新型金屬材料的方式不同，原則上，金屬材料的尺寸處于微米或納米級時，其自身特性便上會發生明顯的變化。這也為設計具有優異性能的新型金屬材料帶來了靈感。各種不同形態的微納米金屬材料目前已經在環境，催化，檢測和能源等領域廣泛應用。由于金屬材料獨特的光學和機械性能，最近微納米金屬材料在光熱領域的貢獻尤為顯著。然而，如何利用宏觀金屬材料高效地制備特定尺寸的微納金屬材料仍是一個亟待解決的問題。在這一研究背景下，來自深圳大學的研究人員利用金屬玻璃獨特的熱塑性打破了這一窘境，利用這一性能他們在其表面制備了一系列大面積且跨尺度的功能性結構如規則形狀的微米陣列，納米線以及微納米多孔。

首先，研究人員利用金屬玻璃的熱塑性能，以陽極氧化鋁（AAO）為模板，在其表面制備了大面積精細排列的納米線陣列，納米線陣列的引入有效地降低了金屬玻璃表面的反射率，使其在一個較大的波段范圍內表現低反射率的特性。基于納米線表面的優異光學特性，使用不同波長的激光照射在帶有納米線表面的金屬玻璃上時，納米表面均表現快速地光熱效應。在特定的激光功率照射下，紅外熱成像儀記錄到納米表面的升溫速率是光滑金屬玻璃表面的30倍。同時，成型后的金屬玻璃仍保持非晶態的本征結構可用于二次熱塑成型，并可以制備成各種復雜的形狀，實現柔性貼附于各種復雜表面，拓展了光熱表面的可應用場景。相關研究內容以“Strong absorption in ultra-wide band by surface nano engineering of metallic glass”為題，近日發表在國家自然科學基金委主辦的高水平綜合性研究期刊Fundamental Research 。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822003831

圖一. 基于金屬玻璃的熱塑性能制備的具有吸光特性的納米陣列

視頻一.帶有納米線的金屬玻璃表面的光熱效應

以AAO模板來制備的納米線結構是一種單級的陣列結構，且制備完成后需要放入腐蝕性液體（如氫氧化鈉溶液）中進行模板的蝕刻，這使得工藝過程耗時、復雜。因此，如何開發一種更簡單、更綠色的方式來進行金屬玻璃表面結構的可控構筑對其在光熱、超疏水等功能應用具有重要的意義。在此背景上，來自深圳大學的研究人員提出了“溶解制造”的概念并成功地制備了多孔和有序陣列結構。得益于金屬玻璃在過冷液相區所具有的獨特熱塑成型能力，他們使用日常生活中常用的食鹽作為熱塑成型時的模板，在熱塑成型后將金屬玻璃放置在水中溶解5 min便可以在其表面輕松制備多孔結構。利用這一策略研究人員不僅在金屬玻璃表面上成功地制備了孔徑大小可以人為調整的無序多孔結構，而且還制備了形狀規則的陣列結構。此外，該策略還顯示出優異的重復構造性能，在同一金屬玻璃表面上研究人員對多孔結構進行多次重復構造。相關研究內容以“Manufacture of porous metallic glass using dissolvable templates”為題，以封面文章的形式發表在SCIENCE CHINA Materials 。

論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2191-9

圖二.金屬玻璃的溶解制造策略制備多孔結構

視頻二. 溶解制造多孔金屬玻璃

太陽能海水淡化是一項綠色技術致力于解決全世界的淡水緊缺危機。太陽能海水淡化系統的核心部件是一個具有強烈太陽光吸收的吸收器。理想的太陽能蒸汽發電系統不僅需要高效的光熱轉換性能而且需要具有優異親水性能的結構以便快速地輸送海水在其表面形成蒸汽，從而達到海水淡化的目的。基于“溶解制造”的概念，深圳大學的研究人員使用納米級的粉末作為熱塑成型的模板，在金屬玻璃表面熱塑成型了多級的納米多孔結構。帶有多級的納米多孔結構的表面在太陽光譜內表現出優異的吸收性能，同時具備親水特性。基于這兩項多孔結構所帶來的特性，研究人員搭建了以該表面為核心的太陽能海水淡化系統。在一個太陽光的照射下，多級的納米多孔表面表現出的蒸發速率為1.72 kg m-2 h-1，蒸發效率高達94.2%。同時，該表面在污水處理中也表現出顯著的凈化特性。相關研究內容以“Hierarchical porous metallic glass with strong broadband absorption and photothermal conversion performance for solar steam generation”為題，發表在國際知名的能源期刊Nano Energy 。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522010977

圖三.多級的納米多孔金屬玻璃用于高效的水蒸發

視頻三.多級的納米多孔金屬玻璃的水蒸發

基于在金屬玻璃納米工程及功能應用方向的成果，受Advanced Engineering Materials期刊邀請，深圳大學的研究人員對帶有納米結構的金屬玻璃的制備，功能和應用相關研究進行了綜述。在該綜述中，他們不僅總結了目前用于制備帶有納米結構的金屬玻璃的各類加工方式，而且對其功能應用進行了全面概述。最后，作者對制備帶有納米結構的金屬玻璃的加工方式進行了展望，同時也討論了其潛在的功能應用前景。相關研究內容以“Nanoengineering of Metallic Glasses”為題，發表于Advanced Engineering Materials 。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200659

圖四.帶有納米結構的金屬玻璃的先進加工方式及其功能應用

深圳大學碩士研究生傅佳男為上述系列工作的第一作者，馬將教授為通訊作者。南方科技大學力學與航空航天工程系的李真研究助理教授為上述系列進展研究提供了大量寶貴意見。深圳大學材料科學與工程學院的趙勁來博士為光熱測試提供了實驗條件和結果討論。

以上研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2019B030302010）、國家重點研發計劃（2018YFA0703605）、國家自然科學基金委項目（52122105、51971150、51871157、12072344）等項目的資助。