《Nature》子刊：中科院物理所發展出制備單質非晶金屬的普適策略！
2024-09-05 13:21:27
作者：中國科學院物理研究所 來源：材料學網
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傳統觀念中，物質被劃分為氣體、液體和固體。如果所有物質均可在實驗上通過“冷凍”過程轉化為非晶態，將證明非晶態是常規物質的第四態即非晶態是物質的基本狀態之一。在非晶態物質形成的研究中，有學者提出了“所有物質都能轉化為非晶態？”這一關鍵問題，并預測當金屬的過冷度足夠大時可以通過快速冷卻形成非晶態。如果能夠將非晶形成能力最弱的單質金屬轉化為穩定的非晶態，將為非晶態是物質的基本屬性提供證據。
此前，熵危機理論認為，液體形成非晶態是熱力學的必然。然而，單質金屬的非晶形成能力低弱。理論估算顯示，需要每秒十億度以上的冷卻速率，才能實現單質金屬的非晶化。而這樣得到的非晶單質金屬在室溫下極不穩定，會在幾分鐘內晶化。一個世紀以來，為了獲得單質非晶金屬，科學家進行了嘗試，卻僅能夠使個別單質金屬實現非晶化。如何發展普適的制備技術，實現所有類型單質金屬的非晶化并在室溫下保持穩定，是非晶物質科學和材料領域的重要問題。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華院士團隊借助原子制造及材料基因工程高通量的思想，利用現代激光快冷與古老的制備玻璃的助熔劑相結合的工藝，將所有類型十多種單質金屬包括最難以實現非晶化的面心立方單質金和銀制備為室溫穩定的非晶態。該成果在實驗上證明所有類型的單質金屬均可形成非晶態，且非晶態是常規物質的本征態和基本物質屬性之一。該研究采用超快皮秒脈沖激光技術，在無水乙醇液體介質中對各種單質高純金屬靶材進行液相燒蝕。研究通過調控制備參數，以無水乙醇作為液體保護冷卻介質，避免非均勻形核，實現了接近1013 K s-1的快速冷卻速率，可抑制單質金屬晶體的形核和生長過程。由于激光燒蝕這種原子制造方法能夠產生大量具有不同能量和構型的顆粒，有可能捕獲單質金屬能量地貌圖中各種不同穩定性的非晶構型，從而篩選到具有室溫穩定性的單質非晶納米顆粒。這一技術將各種金屬單質納米顆粒轉變成單質非晶態顆粒。為了驗證所制備的納米顆粒為非晶態單質金屬，該團隊采用雙球差矯正透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、X射線光電子能譜等先進表征技術，對多種晶體類型的單質金屬的非晶樣品進行了原子結構、成分和電子價態等分析，證實了樣品的非晶單質特性。同時，原位電子輻照實驗發現，單質非晶結構向晶體結構的轉變過程，無序-有序轉變后的晶格常數與該金屬的晶體晶格常數相匹配。研究顯示，不同單質非晶之間、同一單質非晶的不同樣品之間在電子輻照下的穩定性存在差異，表明非晶態單質金屬的穩定性與其構型相關，證實這種構型高通量的方法可以有助于篩選出不同構型和不同穩定性的單質非晶。這一技術實現了所有結構類型單質金屬的非晶化，并驗證了該方法的普適性。科研人員揭示了這一方法形成單質非晶金屬的機制。當激光照射靶材時，生成大量熔融態的納米顆粒進入液體介質并即刻被包裹，液體介質提供高達1013 K s-1的冷卻速率，使納米顆粒迅速冷卻，同時液體介質的包裹為熔融金屬納米顆粒提供了無容器/無雜質的冷卻環境，可抑制其非均勻形核。因此，在快速冷卻和助熔劑效應的協同作用下，該工作實現了單質金屬非晶形成能力的突破。分子動力學模擬發現，快速冷卻和助熔劑協同作用能夠降低非均勻形核的概率，推遲單質金屬冷卻的TTT曲線的鼻尖孕育時間，促進非晶結構的形成。單質金屬納米顆粒的構型高通量，為在能量地形圖中捕獲高穩定性的單質非晶納米顆粒提供了機會。模擬結果揭示了單質非晶的穩定性與其原子構型之間的關系。高穩定單質非晶的原子結構包含更多類二十面體團簇。這些團簇展現出較高的五重對稱性。而不穩定單質非晶中則包含更多類晶體團簇。這些團簇具有較高的四重或六重對稱性。類二十面體團簇在原子結構中產生的強拓撲阻挫是穩定單質非晶結構的關鍵因素。相關研究成果以Breaking the vitrification limitation of monatomic metals為題，發表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、廣東省基礎與應用基礎重大研究項目等的支持。
采用超快皮秒脈沖激光技術，在無水乙醇中液相燒蝕制備的單質非晶金和釕納米顆粒
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