一个世纪以来，为了获得单质非晶金属，各国科学家进行了长期不懈的努力尝试，但仅能够使个别单质金属（如钽）实现非晶化。如何发展普适的制备技术，实现所有类型单质金属的非晶化，并且能在室温下保持稳定，是非晶物质科学和材料领域的重大挑战和科学“圣杯”。

金的玻璃化，这是著名的世界性难题。近期，雷火竞技官方网站院士工作站汪卫华院士团队，借助原子制造及材料基因工程高通量的思想，利用现代激光快冷和古老的制备玻璃的助熔剂相结合的工艺，成功地将所有类型十多种单质金属，包括最难以实现非晶化的面心立方（fcc）单质金和银，制备成室温稳定的非晶态。该工作打破了物质玻璃态形成能力的限制，表明玻璃化是物质的固有属性，并从原子构型的角度为金属玻璃态的制备和设计提供了策略。相关研究成果以题为“Breaking the vitrification limitation of monatomic metals”发表在最新一期《Nature Materials》上。松山湖材料实验室副研究员童星和辽宁大学博士生张月娥为文章的共同第一作者。

本研究采用超快皮秒脉冲激光技术，在无水乙醇液体介质（作为助熔剂）中对各种单质高纯金属靶材进行液相烧蚀。通过精细调控制备参数，用无水乙醇作为液体保护冷却介质、避免非均匀形核，实现了接近 1013 K s-1 的快速冷却速率，可成功抑制单质金属晶体的形核和生长过程。由于激光烧蚀这种原子制造方法能够产生大量具有不同能量和构型的颗粒，有可能捕获单质金属能量地形图中的各种不同稳定性的非晶构型，从而使我们能够筛选到具有室温稳定性的单质非晶纳米颗粒。采用这种技术成功地将各种金属单质纳米颗粒转变成单质非晶态颗粒（见图 1）。

图 1 采用超快皮秒脉冲激光技术，在无水乙醇（作为助熔剂）中液相烧蚀制备

的单质非晶金和钌纳米颗粒。

 

为了证明该方法的普适性，作者系统地研究了玻璃化更多单原子金属的可行性，包括具有bcc、hcp和fcc晶体结构的金属。应用这种方法，作者将十几种（总共17种）单原子金属玻璃化成玻璃态，并获得了各种MM GNP（图2）。图2a-d分别显示了bcc金属铁(Fe)、钒(V)、Ta和钨(W)的结果，也可以通过其他方法进行玻璃化7、11。图2e-h显示了分别由hcp金属铪(Hf)、钴(Co)、锆(Zr)和Ru玻璃化的MMG纳米颗粒。图2i-p显示了由fcc金属生产的更多MMG，包括主族金属（铝(Al)和锗(Ge)）和过渡族金属（Pd、铱(Ir)、银(Ag)、Ni、铜(Cu)和铂（Pt））。

图 2 广泛制备的不同结构类型的单质非晶金属

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01967-0

 

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2024年7月31日