2023年6月14日，武漢一日之內，兩篇Nature在線刊發，風頭一時無二。一篇生命科學學院，另一篇化學與分子科學學院。

由于時間和專業問題，本篇重點介紹了化學與分子科學學院的這篇Nature。

高熵合金納米顆粒(HEA-NPs)，作為功能材料具有廣闊的應用前景。

然而，到目前為止，已實現的高熵合金僅限于相似元素的調色板，這極大地阻礙了不同應用的材料設計、性能優化和機理探索。

在此，來自南方科技大學的林君浩和武漢大學的郭宇錚&曾夢琪&付磊等研究者發現，具有負混合焓的液態金屬可以提供穩定的熱力學條件，作為理想的動態混合儲層，從而在溫和的反應條件下實現多種金屬元素的HEA-NPs的合成。

相關論文以題為“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”于2023年06月14日發表在Nature上。

高熵合金（HEAs）因其在廣泛應用中作為理想的功能材料而引起了持續的關注。當HEAs的尺寸減小到納米尺度時，高比表面積、強烈的協同效應、可調節的成分變化和嚴重的晶格畸變使高熵合金納米顆粒（HEA-NPs）成為眾多表面反應的理想平臺。

混合元素之間的化學和物理性質的巨大差異導致合金化反應過程中的相互不溶性。盡管已有研究表明高熵可以增強形成均勻相的趨勢，但在合成過程中通常需要極高的加熱溫度來提供高混合熵，而后還需要迅速淬滅合金化反應以保持高熵狀態。

貴金屬元素的自催化行為也可以在HEA-NP的合成中降低反應溫度，但目前只在有限的體系中實現。因此，開發一種對合成條件具有高容忍度且具有廣泛元素選擇范圍的合成策略仍然是可期待且具有挑戰性的。

考慮到元素的混合焓代表它們之間的親和性，除了混合熵之外，混合焓對于HEA形成的貢獻也是不可忽視的。通過降低混合焓以減少吉布斯自由能，可以有望獲得HEA-NPs。

除了降低混合焓以克服不相容性問題外，合金化反應中同時動態的混合環境也是一個重要的促進因素。對于動態混合過程，液態通常被認為是合金制造策略中理想的合金化環境。

然而，達到液相需要超過所涉及金屬元素的熔點的極高溫度，這限制了HEA的制備。

研究者注意到，具有較低熔點的某些液態金屬正在各個領域中成為高度理想的候選材料。當液態金屬參與合金化過程時，獨特的反應環境可能導致在低溫下的合金化反應。例如，室溫液態金屬鎵（Ga），它與其他金屬元素也具有負混合焓，是合金化的理想基質。

因此，液態金屬可以被設計成理想的儲存庫，用于制備復雜的多組分合金，這些合金希望在高容忍條件下以均勻的方式混合不同的金屬元素。

在這里，研究者通過使用液態金屬反應介質，在溫和條件下實現了使用一系列金屬元素合成HEA-NPs的過程。如圖1a所示，納米尺度分散的液態金屬被用作儲存庫，與各種金屬鹽作為前體混合。

然后，金屬鹽發生熱分解和氫氣還原，隨后在液態金屬中進行金屬元素的混合，從而在923 K形成HEA-NPs。樣品以相對較低的冷卻速率自然冷卻至室溫。研究表明，涉及的元素具有廣泛的原子半徑范圍（1.24–1.97 ?）和熔點范圍（303-3,683 K）。研究者還通過混合焓調控實現了納米顆粒的精確構造。

此外，研究者還實時捕捉到了轉化過程（即從液態金屬到晶體HEA-NPs），這證實了在合金化過程中存在動態的分離-融合行為。

圖1. HEA-NPs的合成與表征

圖2. HEA-NPs的元素和結構表征

圖3. 混合焓對合金形成的影響

圖4. 液態金屬輔助合成過程的機理

綜上所述，研究者提出了一種創新的液態金屬輔助的HEA-NP合成策略，在溫和條件下具有高元素包容性。由于液態金屬鎵與大多數金屬元素之間的相對負混合焓可以降低吉布斯自由能，液態金屬鎵輔助的方法可以形成無元素分離的均勻合金，克服了合金系統中的不相容性。

研究者通過原位電子透射電鏡（ETEM）和原位同步輻射X射線衍射（SRXRD）表征揭示了從液態金屬到晶體HEA-NP的合金化過程。這種合金策略還可以擴展到實現許多特定應用中所需的理想HEA，其中元素組成可以設計在廣泛的范圍內。對液態金屬反應機制的深入研究揭示了其動態演化過程，這也啟發了基于液態金屬的方法論。

林君浩, 1986年生，美國田納西州Vanderbilt大學物理學博士。博士論文研究在美國橡樹嶺國家實驗室完成，導師為周武博士（實驗方向）和Sokrates Pantelides教授（理論方向），采用實驗與理論相結合的手段研究二維材料原子結構與性能之間的關聯，主要結合高分辨掃描透射電鏡和第一性泛函原理計算作為研究工具。博士畢業后獲日本振興學會（JSPS）特聘研究員資格，赴日本國立產業綜合研究所電子顯微鏡研究組進行博士后研究，合作導師Kazu Suenaga博士。主要研究方向為包括高低溫下原子尺度二維材料物相變化的電鏡原位表征，并通過高能量分辨電子損失能譜探索單原子尺度下物質的光學特性。

林君浩博士具有實驗和理論雙重背景，對實驗設計和理論計算融會貫通，以此研究了大量新興二維材料里復雜缺陷的原子結構。通過結合實驗原子圖像和理論模擬，闡述了二維材料里各種缺陷的形成機理，并提出了部分缺陷結構能顯著改善或增強材料的性能。這些工作在二維材料的電子與光學器件應用等方面有極其重要的意義。截至目前為止，林君浩博士已經以第一作者（含共同一作）或通訊作者在Nature， Nature Nanotechnology，Nature Materials，Nano Letters，PRL，Advanced Materials， ACS Nano等高影響期刊發表80余篇，總引用次數超過8600多次，H因子38。2018年全職加盟南方科技大學物理系。

曾夢琪，武漢大學化學與分子科學學院教授，博士生導師。主要研究方向為二維材料的可控合成、性質調控和自組裝，著重發展了液態金屬化學氣相沉積法（LMCVD）。目前已以通訊作者或第一作者身份在Nat. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Matter、Chem. Rev.和Acc. Chem. Res.等期刊上發表論文40余篇。入選中組部青年拔尖人才計劃，博士后創新人才支持計劃。曾獲武漢大學“十大珞珈風云學子”、武漢大學“十大學術之星”等。研究方向：二維材料的可控合成、性質調控和自組裝，二維材料在光電信息器件和能源領域的應用

付磊，武漢大學化學與分子科學學院教授，博士生導師；獲國家杰出青年基金、優秀青年基金支持。曾獲中國科學院院長特別獎、中國科學院優秀博士學位論文獎、中國化學會青年化學獎、湖北省五四青年獎章、武漢市優秀青年科技工作者稱號、全國大學生科技競賽“挑戰杯”優秀指導老師。連年被評為“優秀班級導師”、“我最喜歡的教師”；2015年被評為武漢大學十大“我心目中的好導師”；2016年被評為全國十大“全能導師”；2018年被評為中國新銳科技人物。現任中國化學會獎勵推薦委員會委員、納米化學專業委員會委員、青年化學工作者委員會委員等學術職務。翻譯國內首部石墨烯學術專著（《石墨烯：基礎及新興應用》，科學出版社）、撰寫國內首部同步輻射科普書（《同步輻射：從發現到科學應用》，科學出版社）和液態金屬專業書（Liquid Metals: Properties, Mechanisms and Applications，《液態金屬：性質、機理和應用》，Wiley出版社）。研究方向：原子制造@液態金屬、二維材料的精準合成及其在光電信息器件和能源領域的應用、液態金屬在生物醫用材料領域的應用

Cao, G., Liang, J., Guo, Z.?et al.?Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06082-9

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06082-9

http://www.chem.whu.edu.cn/info/1815/13874.htm

http://www.chem.whu.edu.cn/info/1795/13878.htm

https://phy.sustech.edu.cn/faculty/detail/id/197.html?lang=zh-cn