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研究背景

玻璃態(tài)材料是指在液體冷卻至超低溫時(shí)未發(fā)生晶化而形成的非晶態(tài)固體，其在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中具有重要意義。由于玻璃態(tài)材料在電子、光學(xué)和機(jī)械領(lǐng)域的優(yōu)異性能，使其成為了研究熱點(diǎn)。

然而，許多單原子金屬，特別是面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的金屬，如金（Au）、鎳（Ni）等，因其難以玻璃化成為了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法在這些金屬的玻璃化過(guò)程中往往會(huì)遭遇異質(zhì)成核問(wèn)題，即因周?chē)木w或雜質(zhì)催化的晶核形成，這會(huì)導(dǎo)致玻璃態(tài)材料的形成受到限制。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室柯海波, ?白海洋教授、汪衛(wèi)華院士，北京大學(xué)周繼寒教授等人合作提出了一種新的方法——超快脈沖激光燒蝕液體介質(zhì)中的金屬目標(biāo)。這種方法通過(guò)在激光燒蝕過(guò)程中實(shí)現(xiàn)極快的冷卻速率（達(dá)到10¹⁰至10¹³ K/s），并利用液體介質(zhì)抑制異質(zhì)成核，成功地在室溫下實(shí)現(xiàn)了金及其他fcc和hcp單原子金屬的玻璃化。相關(guān)成果在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Breaking the vitrification limitation of monatomic metals”的最新論文。

這一方法可以在一次處理過(guò)程中產(chǎn)生大量不同的原子配置，從中篩選出穩(wěn)定的玻璃態(tài)，并且有望為其他難以玻璃化的金屬提供新的制備策略。研究結(jié)果表明，該方法顯著提高了金屬玻璃的穩(wěn)定性，突破了傳統(tǒng)玻璃化方法的限制，為金屬玻璃的制備和設(shè)計(jì)提供了新的視角。

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研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)在液體介質(zhì)中使用超快脈沖激光燒蝕技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了面心立方（fcc）金屬金（Au）的玻璃化，克服了傳統(tǒng)方法無(wú)法玻璃化的困難。

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)這一方法實(shí)現(xiàn)了金及其他fcc、六方密排（hcp）和體心立方（bcc）單原子金屬的玻璃化?？焖倮鋮s和液體介質(zhì)的抑制異質(zhì)成核共同作用，為非晶化提供了理想的環(huán)境。具體結(jié)果包括：

- 采用超快脈沖激光燒蝕技術(shù)在液體介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了金屬玻璃（MMG）的形成，有效抑制了晶體的異質(zhì)成核和生長(zhǎng)。
- 該方法能夠生成具有多種原子配置的MMG樣品，部分樣品表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。
- 通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）和電子能量損失譜（EELS）等分析手段確認(rèn)了金屬玻璃的純度和結(jié)構(gòu)特征，顯示出所生成的MMG具有較高的純度，并且不同金屬的玻璃化也得到了驗(yàn)證。

圖文解讀

圖1：在乙醇介質(zhì)中，激光輔助超快淬滅方法和fcc (Au)和hcp (Ru) 單原子金屬玻璃MMG 納米粒子NPs制備示意圖。

圖2：?jiǎn)卧咏饘俨ＡMG的脫玻過(guò)程。

圖3：bcc、hcp和fcc單原子金屬?gòu)V泛制備單原子金屬玻璃MMG納米粒子NP。

圖4：通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)MD模擬揭示了液體介質(zhì)的影響和穩(wěn)定性的起源。

結(jié)論展望

本文打破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即只有某些金屬能夠玻璃化。通過(guò)使用超快脈沖激光燒蝕技術(shù)在液體介質(zhì)中快速冷卻，作者成功地將面心立方（fcc）金屬金（Au）及其他類(lèi)型的單原子金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。這一發(fā)現(xiàn)表明，玻璃化是物質(zhì)的內(nèi)在屬性，而不僅僅是某些特定條件下的偶然現(xiàn)象。其次，研究揭示了抑制異質(zhì)成核的重要性，這為未來(lái)材料科學(xué)中的金屬玻璃設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過(guò)合適的液體介質(zhì)和快速冷卻，研究人員能夠有效地抑制晶體的形成，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的玻璃化。這種方法不僅能生成具有不同穩(wěn)定性的多種原子配置，還為開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性金屬玻璃提供了新的途徑?？傊狙芯繛槔斫饨饘俨ＡУ男纬蓹C(jī)制和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供了寶貴的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Tong, X., Zhang, YE., Shang, BS. et al. Breaking the vitrification limitation of monatomic metals. Nat. Mater. (2024).

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/08/01/806c591343/

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