近期，一篇以題為「Breaking the vitrification limitation of monatomic metals」的文章發表在最新一期【Nature Materials】上，這是第一篇以松山湖材料實驗室為第一單位在Nature子刊發表的文章。
在傳統觀念中，物質通常被劃分為瓦斯、液體和固體三大類。如果所有物質都能在實驗上透過「冷凍」過程轉化為非晶態，這將證明非晶態是常規物質的第四態，也即非晶態是物質的基本狀態之一。
在探索非晶態物質的形成研究中，Turnbull 在上世紀 50 年代提出一個關鍵問題：「所有物質都能轉化為非晶態嗎？」他預測，當金屬的過冷度足夠大時，可以透過快速冷卻形成非晶態。他指出，如果能將非晶形成能力最弱的單質金屬轉化為穩定的非晶態，這將為非晶態是物質的基本內容提供最有力的證據。
根據 Kauzmann 在 1948 年提出了著名的熵危機理論(液體不能無限過冷，當液體冷到某個溫度點，如果液體繼續過冷，由於液體的熵不能低於相應晶體固體的熵，因此它必然要透過玻璃轉變形成非晶態，否則將引發熵危機)，一種液體形成非晶態是熱力學的必然。
但是，單質金屬的非晶形成能力極其低弱，據理論估算，需要每秒十億度以上的冷卻速率（10 10 /s），才能實作單質金屬的非晶化，而且這樣得到的非晶單質金屬在室溫下極不穩定，會在分分鐘內晶化。
一個世紀以來，為了獲得單質非晶金屬，各國科學家進行了長期不懈的努力嘗試，但僅能夠使個別單質金屬（如鉭）實作非晶化。 如何發展普適的制備技術，實作所有型別單質金屬的非晶化，並且能在室溫下保持穩定，是非晶物質科學和材料領域的重大挑戰和科學「聖杯」。
近期， 松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所汪衛華院士團隊 借助原子制造及材料基因工程高通量的思想，利用現代雷射快冷和古老的制備玻璃的助熔劑相結合的工藝， 成功地將所有型別十多種單質金屬，包括最難以實作非晶化的面心立方（fcc）單質金和銀，制備成為室溫穩定的非晶態。
該成果首次從實驗上證明了所有的單質金屬都能形成非晶態，非晶態是常規物質的本征態和基本物質內容之一。
本研究采用超快皮秒脈沖雷射技術，在無水乙醇液體介質（作為助熔劑）中對各種單質高純金屬靶材進行液相燒蝕。
透過精細調控制備參數，用無水乙醇作為液體保護冷卻介質、避免非均勻形核，實作了接近10 13 K s -1 的快速冷卻速率，可成功抑制單質金屬晶體的形核和生長過程。
由於雷射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形圖中的各種不同穩定性的非晶構型，從而使得我們能夠篩選到具有室溫穩定性的單質非晶奈米顆粒。 采用這種技術成功地將各種金屬單質奈米顆粒轉變成單質非晶態顆粒（見圖1）。
圖1 采用超快皮秒脈沖雷射技術，在無水乙醇（作為助熔劑）中液相燒蝕制備的單質非晶金和釕奈米顆粒。
為了驗證所制備的奈米顆粒為非晶態單質金屬，團隊采用了雙球差矯正透射電子顯微鏡（Cs-corrected TEM）、電子能量損失譜（EELS）、X射線光電子能譜（XPS）等先進表征技術，對多種晶體型別的單質金屬的非晶樣品進行了原子結構、成分和電子價態等的詳細分析，證實了樣品的非晶單質特性（見圖1）。
此外，透過原位電子輻照實驗，觀察到單質非晶結構向晶體結構的轉變過程，且無序—有序轉變後的晶格常數與該金屬的晶體晶格常數相匹配。同時發現不同單質非晶之間、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，這表明非晶態單質金屬的穩定性與其構型密切相關（見圖2），也證實了這種構型高通量的方法可以有助於我們篩選到不同構型和不同穩定性的單質非晶。
該技術實作了所有結構型別（面心立方、密排六方和體心立方）單質金屬的非晶化，進一步驗證了該方法的普適性（見圖3）。
圖2 電鏡下原位電子輻照單質非晶金和釕的無序-有序轉變
圖3 廣泛制備的不同結構型別的單質非晶金屬
圖4 分子動力學模擬解釋單質非晶的形成機理和穩定性機制
本研究發明了一種制備單質非晶金屬的普適策略，即結合原子制造和高通量制造的思想，將古老的助熔劑工藝與先進的雷射急冷技術相結合，實作了所有結構型別的單質金屬的非晶化，包括最難非晶化的單質金。 突破了物質非晶形成能力極限，解決了制備單質非晶金屬的百年難題。
雷射燒蝕制備多構型非晶奈米顆粒這一構型高通量方法，提供了一種基於原子制造和構型高通量制備和設計非晶材料的新思路。該工作以「Breaking the vitrification limitation of monatomic metals」發表於學術期刊【Nature Materials】上。
本工作是在松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所白海洋研究員指導下完成。松山湖材料實驗室副研究員童星和遼寧大學聯培博士生張月娥為文章的共同第一作者，
松山湖材料實驗室/中國科學院物理研究所白海洋研究員、松山湖材料實驗室柯海波研究員、北京大學周繼寒研究員為文章的共同通訊作者，合作作者還包括松山湖材料實驗室張博研究員，中國科學院物理研究所柳延輝研究員，上海大學王剛教授等。
上述工作得到了廣東省基礎與套用基礎重大研究計畫、國家自然科學基金委、中國科學院戰略性先導科技專項等科研計畫的支持。
出品：松山湖融媒體中心
來源：松山湖材料實驗室（轉載有刪減）
責編：張莎
審校：郭文君 陳啟亮
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