Nature Materials如何用激光技术破解金属玻璃化难题？金属金也能“变身”！！
文摘
2024-11-12 08:00
四川
随着材料科学和玻璃态物质研究的发展，单原子金属的玻璃化问题逐渐成为了研究热点。单原子金属因其具有独特的物理和化学性质而受到广泛关注。然而，尽管已有研究尝试玻璃化多种金属，仍有不少单原子金属，特别是面心立方（fcc）和六方密排（hcp）结构的金属，因其较难实现玻璃化，成为了研究中的难点。这一挑战主要源于异质成核现象以及在冷却过程中晶体的快速生长。有鉴于此，研究人员尝试通过各种方法克服这些困难。近期，松山湖材料实验室Hai-Bo Ke,白海洋教授、 王卫华院士，北京大堂周继寒合作科提出了一种基于超快脉冲激光烧蚀的液体介质玻璃化方法。该方法通过在液体介质中进行激光烧蚀，实现了金属的快速冷却，并抑制了异质成核。研究结果表明，使用该方法可以成功将面心立方结构的金（Au）及其他类似金属玻璃化。具体来说，超快脉冲激光烧蚀能够在液体介质中产生高冷却速率，同时利用适当的液体介质有效抑制异质成核，从而实现了单原子金属的玻璃态形成。这一进展不仅突破了玻璃化能力的限制，也为从原子配置的角度进行金属玻璃的设计和制备提供了新的策略。![]()
【图文解读】
1.实验首次利用超快脉冲激光烧蚀技术在液体介质中成功实现了面心立方（fcc）金属金（Au）的玻璃化，得到了玻璃态的金属玻璃（MMG）纳米颗粒。2.实验通过在液体介质中进行脉冲激光烧蚀，实现了极快的冷却速率（1010到1013 K/s），抑制了异质成核，进而成功生成了不同稳定性的MMG纳米颗粒。这种方法显著改善了金属玻璃的形成条件，通过选择合适的液体介质，抑制了晶体的异质成核和生长。3. 该方法还成功用于其他fcc、六方密排（hcp）和体心立方（bcc）单原子金属的玻璃化。通过分子动力学（MD）模拟，发现稳定的MMG纳米颗粒源于强烈的拓扑挫折（icosahedra-like clusters）。这一策略不仅突破了传统的玻璃化能力限制，还为从原子配置角度设计和制备金属玻璃提供了新方法。 ![]()
图1：在乙醇介质中，激光辅助超快淬灭方法和fcc (Au)和hcp (Ru)单原子金属玻璃monatomic metallic glasses，MMG 纳米粒子nanoparticles，NPs制备示意图。![]()
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图3：bcc、hcp和fcc单原子金属广泛制备单原子金属玻璃MMG纳米粒子NP。![]()
图4：通过分子动力学MD模拟揭示了液体介质的影响和稳定性的起源。作者展示了面心立方（fcc）金属金（Au）玻璃化成玻璃态的方法，这种方法也适用于其他fcc、六方密排（hcp）和体心立方（bcc）单原子金属。金属玻璃（MMG）的形成归因于快速冷却和抑制异质成核。快速冷却可以通过在液体中进行超快脉冲激光烧蚀过程来实现，在此过程中，适当的液体介质对贵金属fcc金属的玻璃化至关重要。这两种优点提供了理想的非晶化环境，并显著抑制了晶体的异质成核和生长。这一策略可以产生一系列原子配置，以获得具有不同稳定性的MMG，其中一些可能具有极高的稳定性。原文详情：Tong, X., Zhang, YE., Shang, BS. et al. Breaking the vitrification limitation of monatomic metals. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01967-0
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