0.8 納米！中科大 + 安師大用激光 “快熱快冷”，造出改寫規(guī)則的亞納米高熵合金
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-10-27 15:21:39
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2025年10月20日，一則重磅消息震撼了材料科學(xué)界：安徽師范大學(xué)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，在溫和條件下利用激光輻照技術(shù)，成功創(chuàng)制出亞納米級(jí)高熵合金。 這項(xiàng)成果不僅登上了國際頂級(jí)材料期刊《自然·材料》（Nature Materials），更被業(yè)內(nèi)專家稱為繼“原子抽提”之后，中國在“原子經(jīng)濟(jì)”領(lǐng)域又一次里程碑式的突破，為能源、軍工、電子等多領(lǐng)域帶來顛覆性變革。 一、高熵合金難題：傳統(tǒng)制備的困境 要理解這項(xiàng)技術(shù)的革命性，先得搞清楚什么是高熵合金（High-Entropy Alloys,HEAs）。傳統(tǒng)合金，比如不銹鋼，通常是以一種金屬為主（如鐵），再摻入少量其他元素（如鉻、鎳）來改善性能。而高熵合金則完全不同：它由五種或更多金屬元素以近似等比例混合而成，形成一種結(jié)構(gòu)高度無序但性能極為優(yōu)異的新型材料。 科研團(tuán)隊(duì)形象地比喻：“就像把性格迥異的十個(gè)人塞進(jìn)同一間辦公室，還要讓他們高效協(xié)作。”如果組織不當(dāng)，就會(huì)“各自為政”，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)相分離、團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。這正是長期以來制約高熵合金發(fā)展的核心難題。 更難的是，要把這種復(fù)雜的多金屬體系做到亞納米級(jí)（<1納米，約幾個(gè)原子直徑大小），幾乎是對(duì)物理極限的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法需要上千攝氏度的高溫熔煉，不僅能耗巨大，而且容易導(dǎo)致某些貴金屬揮發(fā)或偏析，最終產(chǎn)物顆粒粗大、活性低、成本高。科研團(tuán)隊(duì)曾形象地比喻，這就像“煮一鍋粥，火太大容易糊底，火太小又煮不熟”，必須找到那個(gè)“剛剛好”的火候。 二、激光“快熱快冷”：中國團(tuán)隊(duì)的破局密鑰 安徽師大與中科大團(tuán)隊(duì)沒有走傳統(tǒng)高溫路線，而是另辟蹊徑，用一束納秒級(jí)脈沖激光，打開了通往亞納米高熵合金的大門。他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)堪稱“精妙”：將含有多種金屬鹽的溶液與金納米顆粒混合，然后用納秒級(jí)激光脈沖照射。 關(guān)鍵就在于金納米顆粒的“等離激元光熱效應(yīng)”——當(dāng)特定波長的激光打在金顆粒上時(shí)，其表面自由電子會(huì)發(fā)生集體振蕩，瞬間釋放出巨大的能量。這個(gè)過程帶來了兩大“超能力”： 1.超快升溫：在納秒（十億分之一秒）內(nèi)，金顆粒表面溫度可飆升至2000℃以上，足以讓所有金屬前驅(qū)體瞬間熔融、活化。 2.超快冷卻：激光脈沖結(jié)束后，熱量迅速散失，降溫速率高達(dá)每秒100億攝氏度！如此極端的冷卻速度，使得不同金屬原子來不及“分家”，被迫“凍結(jié)”在均勻混合的狀態(tài)中，形成穩(wěn)定的高熵結(jié)構(gòu)。 這種“快熱快冷”的極端非平衡過程，完美繞開了傳統(tǒng)熱力學(xué)限制，實(shí)現(xiàn)了多種金屬在原子尺度上的高度均質(zhì)化。更令人驚嘆的是，整個(gè)反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行，無需復(fù)雜設(shè)備，能耗極低。 據(jù)論文數(shù)據(jù)顯示，科研團(tuán)隊(duì)成功合成了包含金、鉑、釕、銠、銥五種貴金屬的亞納米高熵合金，平均粒徑僅為0.8納米，接近單原子級(jí)別。更進(jìn)一步，他們驗(yàn)證了該方法的普適性——最多可整合多達(dá)十種金屬元素，為材料設(shè)計(jì)提供了前所未有的自由度。 三、“原子經(jīng)濟(jì)”新范式：資源利用的極致優(yōu)化 這項(xiàng)技術(shù)之所以被稱為“原子經(jīng)濟(jì)”的典范，核心在于它實(shí)現(xiàn)了資源利用效率的極致優(yōu)化。所謂“原子經(jīng)濟(jì)”，最早由諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主巴里·夏普萊斯提出，指的是在化學(xué)反應(yīng)中，盡可能讓反應(yīng)物中的每一個(gè)原子都進(jìn)入最終產(chǎn)物，減少浪費(fèi)。而在材料科學(xué)中，“原子經(jīng)濟(jì)”意味著：用最少的原子，實(shí)現(xiàn)最高的性能輸出。 以催化領(lǐng)域?yàn)槔壳叭蛎磕晗臄?shù)萬噸貴金屬用于工業(yè)催化，尤其是鉑、鈀、銥等稀有金屬，價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量有限。傳統(tǒng)催化劑中，大量貴金屬被“埋”在顆粒內(nèi)部，真正參與反應(yīng)的只是表面少數(shù)原子，利用率往往不足10%。 而此次合成的亞納米高熵合金，由于尺寸極小、比表面積極大，幾乎每個(gè)原子都能暴露在表面并參與催化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，在電解水產(chǎn)氫反應(yīng)中，這種新材料的催化活性是商用鉑碳催化劑的5倍以上，且穩(wěn)定性極佳，連續(xù)工作100小時(shí)性能無衰減。 這意味著什么？同等催化效果下，貴金屬用量可減少80%以上。按當(dāng)前鉑金約300元/克的價(jià)格計(jì)算，僅此一項(xiàng)技術(shù)，就可能為氫能產(chǎn)業(yè)每年節(jié)省數(shù)十億元成本。 四、潛力與全球競爭：戰(zhàn)略級(jí)突破 高熵合金因其高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕、抗輻照等特性，被視為下一代高端裝備的核心材料。 而中國在這條賽道上已悄然領(lǐng)先。據(jù)國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局最新數(shù)據(jù)，截至2025年9月，中國在高熵合金領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量已達(dá)3569件，位居全球第一，遠(yuǎn)超美國的500件。 此次亞納米級(jí)高熵合金的突破，將進(jìn)一步提升材料的輕量化、強(qiáng)韌化水平。例如，將其用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管或戰(zhàn)斗部外殼，可在減輕重量的同時(shí)提高抗沖擊能力。 回顧過去幾十年，中國在高端材料領(lǐng)域長期受制于人：高端軸承鋼依賴日本，航空鈦合金受限歐美，光刻膠、碳纖維等“卡脖子”問題屢見報(bào)端。但近年來，隨著國家對(duì)基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，一批原創(chuàng)性成果接連涌現(xiàn)。從“原子制造”到“量子材料”，從“超導(dǎo)突破”到“高熵合金”，中國正逐步擺脫“模仿者”角色，成為全球新材料創(chuàng)新的重要策源地。 此次亞納米高熵合金的誕生，不僅展示了中國在極端制造、原子尺度調(diào)控、多學(xué)科交叉方面的深厚積累，更意味著我們正在構(gòu)建一條從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整創(chuàng)新鏈。 更重要的是，這項(xiàng)技術(shù)具備極強(qiáng)的可擴(kuò)展性與產(chǎn)業(yè)化前景。在能源領(lǐng)域，亞納米級(jí)高熵合金可替代傳統(tǒng)鉑基催化劑，大幅降低燃料電池成本；在環(huán)保領(lǐng)域，其高效催化性能可加速工業(yè)廢氣處理；甚至在醫(yī)療領(lǐng)域，含釓、鏑等稀土元素的高熵合金正被探索用于癌癥靶向治療。 未來，隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化，我們或許將見證一個(gè)由“原子級(jí)精準(zhǔn)制造”驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代。而中國，正站在這一浪潮的最前沿，引領(lǐng)著全球材料科學(xué)的發(fā)展方向。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_587891.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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