刷新认知！液态金属实现“温和”造合金_风闻

心之龙城飞将-06-15 14:32

2023-06-15

科学网

2023年06月15日 06:50:00 来自北京

付磊（前排坐者）带领部分团队成员分析实验数据。受访者供图

■本报记者李思辉

“被打成碎片都能自动愈合、迅速恢复，战斗力爆表”，在很多科幻大片中，液态金属机器人是“战神一样的存在”。现实科研工作中，液态金属也被越来越多地派上大用场。

6月14日，《自然》在线发表了武汉大学化学与分子科学学院、原子制造实验室教授付磊团队关于液态金属的最新成果。该研究用到一种特殊的液态金属，实现了温和条件下多种高熵合金体系的原子制造，刷新了传统认知。

《自然》审稿人感到“不可思议”

“投稿之后，《自然》很快就送审了。”付磊告诉《中国科学报》，2021年5月，他们给《自然》投稿，一个月左右就收到了反馈意见。3位审稿人均对这篇论文有浓厚兴趣，其中两位审稿人认为“这有些不可思议”，要求投稿人“再做更充分的实验进行验证”。

审稿人感到“不可思议”并非毫无道理。付磊介绍，他和团队研究的高熵合金是由5种及以上主元金属组成的新型合金，在极端条件下的结构力学、能源转换与存储、医疗器械等领域都具有广阔的应用前景。但要把这么多种金属组合成一种新的合金，需要解决包括原子不相容在内的很多问题。

“就像有四五个人，他们秉性不同、喜好不一、口味有别，要把他们聚在一起变成一个高度融合、不离不散的共同体并不容易，一言不合就可能散伙。”付磊解释说，以往在多种金属构成的合金中，经常出现彼此不相容的现象，为保证不同金属混合的稳定性，科学家往往需要设置一些先决条件。

比如，将实验温度升高至大约2000摄氏度，并以极其快速的降温加以淬炼，得到较为稳定的合金产物。

“这个时间非常短，眼睛都没眨完就结束了。”付磊团队认为，靠极端条件达到理想合金状态有一定意义，但条件太过苛刻，在一些实际应用场景中会受到限制。能否摆脱“极端条件”，依然使5种以上金属实现稳定混合？

经过细致的研究分析和孜孜探索，研究人员终于发现一种具有“黏结剂”作用的金属——镓。

“这种金属放在手上会化作一摊‘水’，具有液体的特性。”付磊说，同时，经大量实验验证，这种金属与其他四五种金属中的任何一种都能“非常完美地混合”。

通过金属镓的黏合，研究团队终于找到了有效确保多种金属稳定合金化的秘诀。在这种液态金属反应体系中，不需要设定苛刻的条件——在温和条件下就可以实现高熵合金的多组元混溶，极大拓展了高熵合金的组分选择空间，有望促进其在多种关键领域的应用。

不厌其烦地证明“我们说的是真的”

相较于通过超高温反应、急速淬火等方式克服原子间不混溶性从而保持高熵态的传统思路，付磊团队独辟蹊径，发展了液态金属这一新型反应体系。

“这个成果其实两年前就做出来了，之所以拖这么久才发表，主要是因为包括部分《自然》审稿人在内的很多专家觉得‘不可思议’。”付磊表示，让大家相信“只需加入亲和性更好的金属，就可以在温和反应温度、缓慢降温条件下实现多主元合金的合成”，是一件相当不容易的事。

近两年来，研究团队最耗时耗力的工作之一，就是证明“我们说的是真的”。

温和条件下实现高熵合金的合成是否真有可能？到底是一种假设，还是真能实现？在得到肯定回答和部分实验数据后，《自然》的第二轮反馈要求研究团队补充更全面的实验；第三轮、第四轮反馈则要求研究团队进行更深入的合成机制探究以及更严谨的理论计算……

付磊团队通过大量实验证明，利用高熵合金的原子级精准制造技术，“能够根据科学家想要的效果定制想要的合金”。为得到更多实验数据佐证论文观点，该团队研究生、论文共同第一作者曹光辉甚至一度住进了实验室，直至拿到理想的数据。

直到去年10月，这篇论文仍然未能过审，参与研究的学生一度萌生了“不如转投其他发表难度较低的杂志”的想法。研究思路无误、耗时好几年、反复验证多次，现在放弃实在太可惜了。面对学生的沮丧，付磊劝大家坚持下去，毕竟“质疑的问题都解答得差不多了”。

“4月13日是我今年最开心的一天！”收到《自然》接收论文的邮件，团队成员曾梦琪感觉“武汉的天更蓝了”。她告诉《中国科学报》：“在我们原子制造实验室里，一度只有付磊老师一个人带着几名研究生、本科生‘打怪’。一路走来，每个人都很不容易。顶刊论文的突破，对我们无疑是大大的鼓励。”

该团队研究生、论文共同第一作者梁晶晶得知这一消息也很激动，她连夜把这个好消息告诉了父母。“他们知道这是一件不太容易的事，也都跟着挺开心的。”

力不从心的背后往往蕴藏着契机

付磊曾在多个场合公开表示，“认识真理刹那的纯粹快乐”是促使他长期投身科研工作的最大动力。“在日常研究工作中，一旦看到有意思的或反常的现象，我往往会特别兴奋。”他告诉《中国科学报》。

在付磊团队深耕的液态金属反应体系中，就有一些奇妙的发现。

刚到武汉大学工作时，付磊致力于实现对二维原子晶体的原子级精准调控。传统的固态金属催化剂表面存在着晶界、畴区等多种缺陷，会导致二维原子晶体的不均匀成核、生长。一开始，付磊带领团队试图尽最大可能减少这些缺陷，结果每一次探索都不尽如人意。

“选用一个‘满是缺陷’的表面——液态金属表面来实现二维原子晶体的生长会怎么样？”付磊选择了“反向思考”。

液态金属没有固定的晶格结构，其中的金属原子进行着热迁移，原子团簇间不断发生重组，就像人们看到的湖水一样，每一滴水在湖面上的位置都是动态但又无法区分的。

付磊团队正是利用了这样一个无序但均匀的表面，得到了“令人惊喜的发现”——在液态金属表面，二维原子晶体的生长遵循严格的自限制生长行为，可以有效地在层数、堆垛、晶格形变以及组装等方面对其实现原子级精准调控。于是，一种全新的、颠覆性的二维原子晶体原子制造技术问世了！

两年来“自证科学”的过程，让付磊深有感触：“科研道路上，自我怀疑和力不从心的尽头，往往就是新发现的契机和起点。”他热衷于把这些科研心得分享给求学者，也常常勉励团队成员始终保持那份用心做研究的耐心和韧劲，“行到水穷处，坐看云起时”。