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研究背景

玻璃態材料是指在液體冷卻至超低溫時未發生晶化而形成的非晶態固體，其在科學研究和工業應用中具有重要意義。由于玻璃態材料在電子、光學和機械領域的優異性能，使其成為了研究熱點。

然而，許多單原子金屬，特別是面心立方（fcc）結構的金屬，如金（Au）、鎳（Ni）等，因其難以玻璃化成為了巨大的挑戰。傳統方法在這些金屬的玻璃化過程中往往會遭遇異質成核問題，即因周圍的晶體或雜質催化的晶核形成，這會導致玻璃態材料的形成受到限制。

成果簡介

有鑒于此，松山湖材料實驗室柯海波, ?白海洋教授、汪衛華院士，北京大學周繼寒教授等人合作提出了一種新的方法——超快脈沖激光燒蝕液體介質中的金屬目標。這種方法通過在激光燒蝕過程中實現極快的冷卻速率（達到10¹⁰至10¹³ K/s），并利用液體介質抑制異質成核，成功地在室溫下實現了金及其他fcc和hcp單原子金屬的玻璃化。相關成果在Nature Materials期刊上發表了題為“Breaking the vitrification limitation of monatomic metals”的最新論文。

這一方法可以在一次處理過程中產生大量不同的原子配置，從中篩選出穩定的玻璃態，并且有望為其他難以玻璃化的金屬提供新的制備策略。研究結果表明，該方法顯著提高了金屬玻璃的穩定性，突破了傳統玻璃化方法的限制，為金屬玻璃的制備和設計提供了新的視角。

研究亮點

1. 實驗首次通過在液體介質中使用超快脈沖激光燒蝕技術成功實現了面心立方（fcc）金屬金（Au）的玻璃化，克服了傳統方法無法玻璃化的困難。

2. 實驗通過這一方法實現了金及其他fcc、六方密排（hcp）和體心立方（bcc）單原子金屬的玻璃化。快速冷卻和液體介質的抑制異質成核共同作用，為非晶化提供了理想的環境。具體結果包括：

- 采用超快脈沖激光燒蝕技術在液體介質中實現了金屬玻璃（MMG）的形成，有效抑制了晶體的異質成核和生長。
- 該方法能夠生成具有多種原子配置的MMG樣品，部分樣品表現出極高的穩定性。
- 通過透射電子顯微鏡（TEM）和電子能量損失譜（EELS）等分析手段確認了金屬玻璃的純度和結構特征，顯示出所生成的MMG具有較高的純度，并且不同金屬的玻璃化也得到了驗證。

圖文解讀

圖1：在乙醇介質中，激光輔助超快淬滅方法和fcc (Au)和hcp (Ru) 單原子金屬玻璃MMG 納米粒子NPs制備示意圖。

圖2：單原子金屬玻璃MMG的脫玻過程。

圖3：bcc、hcp和fcc單原子金屬廣泛制備單原子金屬玻璃MMG納米粒子NP。

圖4：通過分子動力學MD模擬揭示了液體介質的影響和穩定性的起源。

結論展望

本文打破了傳統觀點，即只有某些金屬能夠玻璃化。通過使用超快脈沖激光燒蝕技術在液體介質中快速冷卻，作者成功地將面心立方（fcc）金屬金（Au）及其他類型的單原子金屬轉變為玻璃態。這一發現表明，玻璃化是物質的內在屬性，而不僅僅是某些特定條件下的偶然現象。其次，研究揭示了抑制異質成核的重要性，這為未來材料科學中的金屬玻璃設計提供了新的思路。通過合適的液體介質和快速冷卻，研究人員能夠有效地抑制晶體的形成，從而實現更廣泛的玻璃化。這種方法不僅能生成具有不同穩定性的多種原子配置，還為開發高穩定性金屬玻璃提供了新的途徑。總之，本研究為理解金屬玻璃的形成機制和拓展其應用領域提供了寶貴的理論和實踐基礎。

文獻信息

Tong, X., Zhang, YE., Shang, BS. et al. Breaking the vitrification limitation of monatomic metals. Nat. Mater. (2024).

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