刷新認知！液態金屬實現“温和”造合金_風聞

科學網

2023年06月15日 06:50:00 來自北京

付磊（前排坐者）帶領部分團隊成員分析實驗數據。受訪者供圖

■本報記者 李思輝

“被打成碎片都能自動癒合、迅速恢復，戰鬥力爆表”，在很多科幻大片中，液態金屬機器人是“戰神一樣的存在”。現實科研工作中，液態金屬也被越來越多地派上大用場。

6月14日，《自然》在線發表了武漢大學化學與分子科學學院、原子製造實驗室教授付磊團隊關於液態金屬的最新成果。該研究用到一種特殊的液態金屬，實現了温和條件下多種高熵合金體系的原子製造，刷新了傳統認知。

《自然》審稿人感到“不可思議”

“投稿之後，《自然》很快就送審了。”付磊告訴《中國科學報》，2021年5月，他們給《自然》投稿，一個月左右就收到了反饋意見。3位審稿人均對這篇論文有濃厚興趣，其中兩位審稿人認為“這有些不可思議”，要求投稿人“再做更充分的實驗進行驗證”。

審稿人感到“不可思議”並非毫無道理。付磊介紹，他和團隊研究的高熵合金是由5種及以上主元金屬組成的新型合金，在極端條件下的結構力學、能源轉換與存儲、醫療器械等領域都具有廣闊的應用前景。但要把這麼多種金屬組合成一種新的合金，需要解決包括原子不相容在內的很多問題。

“就像有四五個人，他們秉性不同、喜好不一、口味有別，要把他們聚在一起變成一個高度融合、不離不散的共同體並不容易，一言不合就可能散夥。”付磊解釋説，以往在多種金屬構成的合金中，經常出現彼此不相容的現象，為保證不同金屬混合的穩定性，科學家往往需要設置一些先決條件。

比如，將實驗温度升高至大約2000攝氏度，並以極其快速的降温加以淬鍊，得到較為穩定的合金產物。

“這個時間非常短，眼睛都沒眨完就結束了。”付磊團隊認為，靠極端條件達到理想合金狀態有一定意義，但條件太過苛刻，在一些實際應用場景中會受到限制。能否擺脱“極端條件”，依然使5種以上金屬實現穩定混合？

經過細緻的研究分析和孜孜探索，研究人員終於發現一種具有“黏結劑”作用的金屬——鎵。

“這種金屬放在手上會化作一攤‘水’，具有液體的特性。”付磊説，同時，經大量實驗驗證，這種金屬與其他四五種金屬中的任何一種都能“非常完美地混合”。

通過金屬鎵的黏合，研究團隊終於找到了有效確保多種金屬穩定合金化的秘訣。在這種液態金屬反應體系中，不需要設定苛刻的條件——在温和條件下就可以實現高熵合金的多組元混溶，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在多種關鍵領域的應用。

不厭其煩地證明“我們説的是真的”

相較於通過超高温反應、急速淬火等方式克服原子間不混溶性從而保持高熵態的傳統思路，付磊團隊獨闢蹊徑，發展了液態金屬這一新型反應體系。

“這個成果其實兩年前就做出來了，之所以拖這麼久才發表，主要是因為包括部分《自然》審稿人在內的很多專家覺得‘不可思議’。”付磊表示，讓大家相信“只需加入親和性更好的金屬，就可以在温和反應温度、緩慢降温條件下實現多主元合金的合成”，是一件相當不容易的事。

近兩年來，研究團隊最耗時耗力的工作之一，就是證明“我們説的是真的”。

温和條件下實現高熵合金的合成是否真有可能？到底是一種假設，還是真能實現？在得到肯定回答和部分實驗數據後，《自然》的第二輪反饋要求研究團隊補充更全面的實驗；第三輪、第四輪反饋則要求研究團隊進行更深入的合成機制探究以及更嚴謹的理論計算……

付磊團隊通過大量實驗證明，利用高熵合金的原子級精準製造技術，“能夠根據科學家想要的效果定製想要的合金”。為得到更多實驗數據佐證論文觀點，該團隊研究生、論文共同第一作者曹光輝甚至一度住進了實驗室，直至拿到理想的數據。

直到去年10月，這篇論文仍然未能過審，參與研究的學生一度萌生了“不如轉投其他發表難度較低的雜誌”的想法。研究思路無誤、耗時好幾年、反覆驗證多次，現在放棄實在太可惜了。面對學生的沮喪，付磊勸大家堅持下去，畢竟“質疑的問題都解答得差不多了”。

“4月13日是我今年最開心的一天！”收到《自然》接收論文的郵件，團隊成員曾夢琪感覺“武漢的天更藍了”。她告訴《中國科學報》：“在我們原子製造實驗室裏，一度只有付磊老師一個人帶着幾名研究生、本科生‘打怪’。一路走來，每個人都很不容易。頂刊論文的突破，對我們無疑是大大的鼓勵。”

該團隊研究生、論文共同第一作者梁晶晶得知這一消息也很激動，她連夜把這個好消息告訴了父母。“他們知道這是一件不太容易的事，也都跟着挺開心的。”

力不從心的背後往往藴藏着契機

付磊曾在多個場合公開表示，“認識真理剎那的純粹快樂”是促使他長期投身科研工作的最大動力。“在日常研究工作中，一旦看到有意思的或反常的現象，我往往會特別興奮。”他告訴《中國科學報》。

在付磊團隊深耕的液態金屬反應體系中，就有一些奇妙的發現。

剛到武漢大學工作時，付磊致力於實現對二維原子晶體的原子級精準調控。傳統的固態金屬催化劑表面存在着晶界、疇區等多種缺陷，會導致二維原子晶體的不均勻成核、生長。一開始，付磊帶領團隊試圖盡最大可能減少這些缺陷，結果每一次探索都不盡如人意。

“選用一個‘滿是缺陷’的表面——液態金屬表面來實現二維原子晶體的生長會怎麼樣？”付磊選擇了“反向思考”。

液態金屬沒有固定的晶格結構，其中的金屬原子進行着熱遷移，原子團簇間不斷髮生重組，就像人們看到的湖水一樣，每一滴水在湖面上的位置都是動態但又無法區分的。

付磊團隊正是利用了這樣一個無序但均勻的表面，得到了“令人驚喜的發現”——在液態金屬表面，二維原子晶體的生長遵循嚴格的自限制生長行為，可以有效地在層數、堆垛、晶格形變以及組裝等方面對其實現原子級精準調控。於是，一種全新的、顛覆性的二維原子晶體原子製造技術問世了！

兩年來“自證科學”的過程，讓付磊深有感觸：“科研道路上，自我懷疑和力不從心的盡頭，往往就是新發現的契機和起點。”他熱衷於把這些科研心得分享給求學者，也常常勉勵團隊成員始終保持那份用心做研究的耐心和韌勁，“行到水窮處，坐看雲起時”。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06082-9

《中國科學報》 (2023-06-15 第1版 要聞)