在傳統(tǒng)觀念中，物質(zhì)通常被劃分為氣體、液體和固體三大類。如果所有物質(zhì)都能在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)“冷凍”過(guò)程轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，這將證明非晶態(tài)是常規(guī)物質(zhì)的第四態(tài)，也即非晶態(tài)是物質(zhì)的基本狀態(tài)之一。在探索非晶態(tài)物質(zhì)的形成研究中，Turnbull 在上世紀(jì) 50 年代提出一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：“所有物質(zhì)都能轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)嗎？”他預(yù)測(cè)，當(dāng)金屬的過(guò)冷度足夠大時(shí)，可以通過(guò)快速冷卻形成非晶態(tài)。他指出，如果能將非晶形成能力最弱的單質(zhì)金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的非晶態(tài)，這將為非晶態(tài)是物質(zhì)的基本屬性提供最有力的證據(jù)。

根據(jù) Kauzmann 在 1948 年提出了著名的熵危機(jī)理論(液體不能無(wú)限過(guò)冷，當(dāng)液體冷到某個(gè)溫度點(diǎn)，如果液體繼續(xù)過(guò)冷，由于液體的熵不能低于相應(yīng)晶體固體的熵，因此它必然要通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)變形成非晶態(tài)，否則將引發(fā)熵危機(jī))，一種液體形成非晶態(tài)是熱力學(xué)的必然。但是，單質(zhì)金屬的非晶形成能力極其低弱，據(jù)理論估算，需要每秒十億度以上的冷卻速率（10¹⁰/s），才能實(shí)現(xiàn)單質(zhì)金屬的非晶化，而且這樣得到的非晶單質(zhì)金屬在室溫下極不穩(wěn)定，會(huì)在分分鐘內(nèi)晶化。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，為了獲得單質(zhì)非晶金屬，各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力嘗試，但僅能夠使個(gè)別單質(zhì)金屬（如鉭）實(shí)現(xiàn)非晶化。如何發(fā)展普適的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有類型單質(zhì)金屬的非晶化，并且能在室溫下保持穩(wěn)定，是非晶物質(zhì)科學(xué)和材料領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)和科學(xué)“圣杯”。

近期，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊(duì)借助原子制造及材料基因工程高通量的思想，利用現(xiàn)代激光快冷和古老的制備玻璃的助熔劑相結(jié)合的工藝，成功地將所有類型十多種單質(zhì)金屬，包括最難以實(shí)現(xiàn)非晶化的面心立方（fcc）單質(zhì)金和銀，制備成為室溫穩(wěn)定的非晶態(tài)。該成果首次從實(shí)驗(yàn)上證明了所有的單質(zhì)金屬都能形成非晶態(tài)，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。

本研究采用超快皮秒脈沖激光技術(shù)，在無(wú)水乙醇液體介質(zhì)（作為助熔劑）中對(duì)各種單質(zhì)高純金屬靶材進(jìn)行液相燒蝕。通過(guò)精細(xì)調(diào)控制備參數(shù)，用無(wú)水乙醇作為液體保護(hù)冷卻介質(zhì)、避免非均勻形核，實(shí)現(xiàn)了接近10¹³ K s^-1的快速冷卻速率，可成功抑制單質(zhì)金屬晶體的形核和生長(zhǎng)過(guò)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)金屬能量地形圖中的各種不同穩(wěn)定性的非晶構(gòu)型，從而使得我們能夠篩選到具有室溫穩(wěn)定性的單質(zhì)非晶納米顆粒。 采用這種技術(shù)成功地將各種金屬單質(zhì)納米顆粒轉(zhuǎn)變成單質(zhì)非晶態(tài)顆粒（見圖1）。

圖2 電鏡下原位電子輻照單質(zhì)非晶金和釕的無(wú)序-有序轉(zhuǎn)變