東北大學李松教授ACS Mater Lett：向極端條件邁進，創造新材料
2025-01-02 11:30:40
作者：高分子科學前沿 來源：高分子科學前沿
分享至：
材料科學研究結構（structure）、制備（processing/synthesis）、性質（property）與效能（performance）之間的四面體關系，其中，制備將其它三項關鍵要素緊密聯系起來。制備技術的創新不僅推動發現新材料，還擴展材料科學的研究邊界，是現代材料發展的核心動力。無論是自下而上的化學合成，還是自上而下的處理過程，材料制備是原子系統向平衡態趨近的過程。由于制備條件的限制，傳統材料制備通常在熱力學近平衡的條件下進行，嚴重限制了新材料的發現速度。
正如全國科技大會指出，“當前，新一輪科技革命和產業變革深入發展。科學研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發力，不斷突破人類認知邊界”。近年來，材料科學家將材料制備條件不斷推向更加遠離平衡的狀態，在極端條件下制備新材料、考察結構演化新路徑并獲取非凡功能，創新了多種極端條件制備策略，包括超快合成、焦耳脈沖速熱、碳熱沖擊、極端溫度梯度和快速凝固等，突破熱力學平衡對新穎材料結構的限制，獲得了一大批與平衡態結構顯著不同的結構和功能材料，代表了材料制備科學的新范式。近日，東北大學材料學院與杭州電子科技大學、天津大學等單位合作，在ACS Materials Letters在線發表評述論文“Far-From-Equilibrium Processing Opens Kinetic Paths for Engineering Novel Materials by Breaking Thermodynamic Limits”，總結了近年來在材料遠平衡（FFE）制備領域取得的進展，指出其共同特征是利用遠平衡極端條件動力學捕獲材料的非平衡結構，進而實現前所未有的材料功能或性質。以自由能在時空維度上的梯度為主要出發點，論文提供了在理解遠平衡材料合成過程的統一觀點和指導策略。
1.1 FFE制備基本原理
遠平衡現象在自然界和材料體系中普遍存在。著名物理學家普利高津甚至稱：“遠平衡乃有序之源”。在材料制備過程中，無論是前驅體到產物的轉變還是相變過程，系統的自由能都受到溫度、壓力和電勢等熱力學參數的顯著影響（如圖1）。盡管熱力學決定了材料的平衡態原子構型，但動力學過程主導了構型形成的路徑。在非平衡條件下，系統自由能的降低驅動著成核、晶體生長等過程。圖1 材料結構演化過程的能量變化，顯示了熱力學產物與動力學控制產物之間的區別如圖1，系統最終會趨向于占據自由能勢壘圖中的局部或全局最小值，分別對應于亞穩態和熱力學穩定態。至少在材料功能使役的時間尺度上，這兩種狀態的成分和結構相對穩定，不會進一步演變。然而，在合成過程中，材料體系往往會經歷一系列的亞穩態，最終獲得何種結構的材料在很大程度上取決于動力學因素。通過控制熱力學條件，研究人員將合成條件推向遠平衡狀態，通過動力學過程捕獲具有優異性能的非平衡態結構，如高熵納米材料和塊體不固溶的納米合金。
2.FFE制備和處理的策略
2.1 時間維度的溫度調控（?T）
遠平衡過程使材料處于偏離熱力學平衡的條件下，從而為創造具有常規平衡方法無法實現的材料新特性提供了獨特途徑。在眾多熱力學參數中，溫度是一個基本參數，它顯著影響原子間的相互作用，決定了材料在不同溫度范圍內的穩定結構和組成。材料制備是一項關于平衡的藝術。傳統的材料合成或加工中，精確控溫至關重要。這是因為在時間尺度上，材料內部總是存在多個受溫度控制的原子運動過程，材料最終所呈現的成分/結構正是這些過程所平衡的結果。遠平衡制備方法在更短的時間尺度上、更寬范圍內調控過程溫度，可望解耦材料內部的子過程，使材料生長過程朝著希望的方向發生。無論是傳統合金還是新型納米材料，都大幅拓寬材料探索空間。如圖2所示，利用溫度實現遠離平衡加工的關鍵在于在時間和/或空間維度上施加顯著的溫度梯度，從而實現自由能的陡峭梯度。遵循這一原則，人們成功開發了各種加工策略，如合金的超快熱處理獲得軟硬雙相組織、瞬熱制備高熵合金納米顆粒材料等。大多數材料加工技術通過輻射、對流或傳導等方式使用外部能量將材料加熱至高溫。由于熱源與加熱區域之間的空間不匹配，在材料內部產生空間溫度梯度。當溫度梯度足夠大時，會為材料的組成原子建立遠平衡熱力學環境，從而通過調控依賴過程（如原子擴散、晶粒生長和元素合金化）的相對動力學，促進形成非常規微觀結構。圖3展示了在結構材料以及功能材料領域中，操控溫度梯度進行材料加工和制備的典型例子，包括增材制造和表面強化處理，以及通過在固液界面建立陡峭的溫度梯度來制備結構化催化劑和高熵合金納米粒子的方法。以傳統鑄造鋁合金為例，受熱轉移過程限制，容易生長為粗大晶粒。東北大學秦高梧教授等人提出“雙冷場”鑄造技術，通過在熱頂上部連續浸入與錠坯同成分的鋁合金，耗散錠坯中心的凝固潛熱，大幅減小了結晶器“外側單一冷卻”溫度場不均勻性，誘導大量同成分的細小凝固核心，得到初生相細小、晶粒均勻的優質鋁合金鑄錠。電化學過程中，電極電勢的作用類似于熱激活過程中溫度的作用，通過調節電極電勢可以顯著且快速地改變合成系統的熱力學條件。更為重要的是，電極電勢可以輕松產生電子系統在eV量級上的自由能變化（?G），遠大于室溫下的熱能（kBT，約26 meV），因此通過調節電極電勢可以方便地創造遠平衡的環境。圖4展示了電化學過程在制備通過熱化學方法難以獲得的亞穩材料方面的能力，以及通過調節電極電位來創造FFE環境，從而合成具有均勻元素分布的高熵合金和固溶納米合金。
3. 總結展望
總結而言，傳統的近平衡態材料處理技術限制了材料微觀結構和性能的定制空間。遠平衡（FFE）方法代表了材料制備科學的范式轉變，它克服了材料生長動力學的熱力學限制，開辟了新材料設計嶄新空間。本評述論文聚焦通過溫度和電勢來創造FFE環境，進而調節系統自由能（ΔG）的原理和應用。特別值得關注的是極端電化學條件調節制備條件的重大潛力，彌補了僅通過熱化學方法（ΔT）合成材料的不足。盡管進展顯著，FFE合成和材料的研究仍處于早期階段。眾多科學和技術挑戰需要關注和解決，作者建議關注精確控制FFE過程、FFE過程的電氣化、FFE合成材料的穩定性以及與AI驅動的材料設計等方向。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c01952
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
