昨天深夜23:00，兩篇來自武漢大學的Nature（《自然》）長文同時上線。這是武漢大學建校130年來首次，也是湖北省首次。武大科研人用硬核科研實力，獻禮百卅校慶，奮進新時代新征程。快隨珞珞珈珈一起來看看，卓爾不群的珞珈學術風采吧。

精準制造，挑戰(zhàn)不可能。

付磊教授團隊

Nature（《自然》）以長文（Article）形式發(fā)表了武漢大學化學與分子科學學院、高等研究院付磊教授團隊關于液態(tài)金屬的最新研究成果。論文題目為“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”（《液態(tài)金屬用于高熵合金納米顆粒的合成》）。

武漢大學為第一署名單位。武漢大學付磊團隊的博士研究生曹光輝、梁晶晶、楊柯娜以及南方科技大學郭增龍為共同第一作者。武漢大學教授付磊、曾夢琪、郭宇錚和南方科技大學副教授林君浩為共同通訊作者。武漢大學碩士研究生汪匯流，博士研究生萬旭昊、李澤源、張奕樂、劉峻麟、鄭臻穎、魯才，本科生何廣智、熊擇優(yōu)，陳勝利教授、劉澤教授為共同作者。

高熵合金是一種由五種或五種以上主元金屬組成的新型合金，在極端條件下結構力學、能源轉換與存儲、醫(yī)療器械等領域具有重要的應用前景。實現(xiàn)高熵合金的原子級精準制造是其應用的基礎。不同元素的物理化學性質差異會限制元素間的均勻混溶，不僅理想的高熵態(tài)難以獲得，元素的選擇也備受限制。根據吉布斯函數（），高熵合金的合成通常依賴苛刻的高溫反應條件（增大因子的貢獻）來克服原子間不混溶性，并通過淬火等方式保持高熵態(tài)。在溫和條件下實現(xiàn)高熵合金的多組元原子混溶有利于其可規(guī)模化、可定制化的精準制造，而這個目標極具挑戰(zhàn)。

付磊團隊獨辟蹊徑，以“混合焓”（）為切入點，降低反應吉布斯自由能變（），采用兼具負混合焓特性和流動性的液態(tài)金屬，實現(xiàn)了溫和條件下各類高熵合金體系的原子制造。液態(tài)金屬（如鎵）與大多數金屬間親和性好，混合焓為負值；且流動性良好，可加速傳質，促進元素的均勻分散和合金化反應的進行。由此，在液態(tài)金屬反應體系中，可在溫和條件下實現(xiàn)高熵合金的多組元原子混溶，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在更多關鍵領域的應用。

▲液態(tài)金屬高熵合金原子制造示意圖

研究工作得到了多方支持：武漢大學電氣與自動化學院郭宇錚團隊提供了分子動力學模擬支持；南方科技大學的林君浩團隊利用球差校正高分辨透射電子顯微鏡對樣品進行了表征。武漢大學陳勝利教授、劉澤教授，內蒙古工業(yè)大學白一甲副教授和松山湖材料實驗室馮燕朋副研究員等合作者在研究過程提供了支持。研究工作還得到了武漢大學公共測試平臺以及上海同步輻射光源的支持。

▲付磊教授科研團隊

付磊團隊長期致力于物質科學領域原子制造的研究（leifu.whu.edu.cn），發(fā)展了液態(tài)金屬反應體系，實現(xiàn)了多類材料的原子制造。

液態(tài)金屬機器人一直以來都是科幻電影中的經典角色，因為它們可以被打成碎片卻能自動愈合，戰(zhàn)斗力更是爆表。而現(xiàn)實生活中，液態(tài)金屬也被越來越多地應用于科研工作中。

近日，《自然》雜志在線發(fā)表了武漢大學化學與分子科學學院、原子制造實驗室教授付磊團隊的最新研究成果。他們使用了一種特殊的液態(tài)金屬，成功實現(xiàn)了多種高熵合金體系的原子制造，而且還使用了溫和的條件，這刷新了人們傳統(tǒng)的認知。液態(tài)金屬顯示出了其在實際應用中的巨大潛力。

高熵合金納米粒子（HEA-NPs）作為功能材料具有巨大潛力.然而，到目前為止，實現(xiàn)的高熵合金僅限于相似元素的調色板，這極大地阻礙了不同應用的材料設計、性能優(yōu)化和機理探索。本文發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬與其他元素的負混合焓可以提供穩(wěn)定的熱力學條件，并作為理想的動態(tài)混合儲層，從而實現(xiàn)在溫和反應條件下合成具有多種金屬元素的HEA-NPs。所涉及的元素具有廣泛的原子半徑（1.24-1.97 ?）和熔點（303-3，683 K）。我們還通過混合焓調節(jié)實現(xiàn)了納米顆粒的精確制造結構。此外，實時轉換過程（即從液態(tài)金屬到結晶HEA-NPs）被原位捕獲，這證實了合金化過程中的動態(tài)裂變-聚變行為。

付磊（左一）與部分團隊成員復盤實驗過程。李思輝攝

《自然》審稿人感到“不可思議”

付磊的團隊在2021年5月給《自然》雜志投稿后，很快就收到了反饋意見。3位審稿人對他們研究的高熵合金表現(xiàn)出了強烈的興趣，其中兩位審稿人甚至認為這種技術“不可思議”，要求投稿人進行更多的實驗驗證。

這并非毫無理由，付磊解釋道，在將5種及以上主元金屬組合成一種高熵合金時，需要解決一系列問題，例如原子不相容等。此時，科學家往往需要采取一些極端條件來保證不同金屬的穩(wěn)定性。

然而，這種方法在實際應用中受到了很大的限制。為了突破這個瓶頸，付磊的團隊經過了漫長和艱難的探索，最終發(fā)現(xiàn)金屬鎵具有可以充當“黏結劑”的作用，它可以將不同的金屬穩(wěn)定地混合在一起，而不需要采取極端條件。通過這種方法，高熵合金的組分選擇空間得到了極大的拓展，有望在結構力學、能源轉換與存儲、醫(yī)療器械等領域得到廣泛應用。

付磊帶領部分團隊成員分析實驗數據。受訪者供圖

不厭其煩地證明“我們說的是真的”

傳統(tǒng)的高熵合金制備方法采用超高溫反應或急速淬火等方式，通過克服原子間不混溶性以保持高熵態(tài)。但是，付磊團隊發(fā)展出了一種獨特的液態(tài)金屬反應體系，不僅可以在溫和的反應溫度和緩慢的降溫條件下實現(xiàn)多主元合金的合成，而且可以精確控制該過程。

這項研究耗時數年，經過多次實驗證明，使用高熵合金的原子級精準制造技術，“能夠定制科學家想要的合金”。雖然該論文曾經面臨多次審核挑戰(zhàn)，但研究團隊仍然堅持下去。

最終，收到《自然》接收論文的郵件，團隊成員感到欣喜萬分。這一突破對他們來說是一大鼓勵，同時也讓我們看到了液態(tài)金屬反應體系在高熵合金制備中的前景。

愛科學、愛生活的武大原子制造實驗室團隊。受訪者供圖

力不從心的背后往往蘊藏著契機

付磊曾在多個場合公開表示，“認識真理剎那的純粹快樂”是促使他長期投身科研工作的最大動力。“在日常研究工作中，一旦看到有意思的或反常的現(xiàn)象，我往往會特別興奮。”他告訴《中國科學報》。

在付磊團隊深耕的液態(tài)金屬反應體系中，就有一些奇妙的發(fā)現(xiàn)。

剛到武漢大學工作時，付磊致力于實現(xiàn)對二維原子晶體的原子級精準調控。

傳統(tǒng)的固態(tài)金屬催化劑表面存在著晶界、疇區(qū)等多種缺陷，會導致二維原子晶體的不均勻成核、生長。一開始，付磊帶領團隊試圖盡最大可能減少這些缺陷，結果每一次探索都不盡如人意。

“選用一個‘滿是缺陷’的表面——液態(tài)金屬表面來實現(xiàn)二維原子晶體的生長會怎么樣？”付磊選擇了“反向思考”。

液態(tài)金屬沒有固定的晶格結構，其中的金屬原子進行著熱遷移，原子團簇間不斷發(fā)生重組，就像人們看到的湖水一樣，每一滴水在湖面上的位置都是動態(tài)但又無法區(qū)分的。

付磊團隊正是利用了這樣一個無序但均勻的表面，得到了“令人驚喜的發(fā)現(xiàn)”——在液態(tài)金屬表面，二維原子晶體的生長遵循嚴格的自限制生長行為，可以有效地在層數、堆垛、晶格形變以及組裝等方面對其實現(xiàn)原子級精準調控。于是，一種全新的、顛覆性的二維原子晶體原子制造技術問世了！

兩年來“自證科學”的過程，讓付磊深有感觸：“科研道路上，自我懷疑和力不從心的盡頭，往往就是新發(fā)現(xiàn)的契機和起點。”他熱衷于把這些科研心得分享給求學者，也常常勉勵團隊成員始終保持那份用心做研究的耐心和韌勁，“行到水窮處，坐看云起時”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06082-9