仪器表征，科学家首次解决单质非晶金属的百年制备难题!

【科学背景】

玻璃化，或称为非晶化，是指在液态物质迅速冷却时，无法形成有序晶体结构，而是形成一种无序的玻璃态。这个概念在20世纪中叶由Kauzmann和Turnbull等人提出，认为所有液体如果不结晶，必须转变为玻璃态，以避免熵危机。然而，真正实现玻璃化尤其是在一些简单的单原子金属系统中仍然面临挑战。

尤其是面心立方（fcc）和六方密排（hcp）结构的单原子金属，例如金（Au），由于其独特的晶体结构和成核行为，一直被认为难以玻璃化。Turnbull和Cohen的早期研究揭示了即使是纯金属也可能经历玻璃化，但实际操作中，许多fcc/hcp金属在实验室条件下的玻璃化仍然未能实现。这主要是因为这些金属在超冷却液体中容易发生异质成核和快速晶体生长，这些因素限制了它们的玻璃形成能力。传统的高冷却速率技术虽然能够成功玻璃化某些金属，但对fcc和hcp结构的单原子金属仍无济于事。

针对这一挑战，松山湖材料实验室汪卫华院士、柯海波研究员、中国科学院物理所白海洋教授、北京大学周继寒研究员联合报告了在液体介质中使用皮秒脉冲激光烧蚀方法对金（众所周知很难玻璃化）以及几种类似的密排面心立方和六方金属进行玻璃化。这一策略不仅能够在一个批次中产生多种原子配置，还能够得到不同稳定性的金属玻璃，部分甚至具有极高的稳定性。研究表明，高稳定性的MMG源于其强烈的拓扑挫折，特别是具有二十面体簇的配置，这一发现为进一步探索金属玻璃的形成机制和应用提供了新的方向。

【科学亮点】

1. 实验首次实现了金（Au）及其他面心立方（fcc）、六方密排（hcp）和体心立方（bcc）单原子金属的玻璃化，成功获得了金属玻璃（MMG）纳米颗粒。

2. 实验通过在液体介质中进行超快脉冲激光烧蚀，结合快速冷却和抑制异质成核的策略，获得了玻璃化的纳米颗粒。具体结果如下：

• 使用适当的液体介质来抑制异质成核，成功地实现了金属的快速冷却，并在室温下获得了稳定的MMG纳米颗粒。

• 实验中获得的金（Au）纳米颗粒展示了各种不同的结构状态，包括完全非晶态、部分非晶态和晶态，其中完全非晶态的颗粒具有明显的非晶性。

• 通过电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）分析，确认了所得金属玻璃纯净，不含有显著的氧（O）或碳（C）杂质。

【科学图文】

图1：在乙醇介质中，激光辅助超快淬灭方法和fcc (Au)和hcp (Ru) 单原子金属玻璃MMG 纳米粒子NPs制备示意图。

图2：单原子金属玻璃MMG的脱玻过程。

图3：bcc、hcp和fcc单原子金属广泛制备单原子金属玻璃MMG纳米粒子NP。

图4：通过分子动力学MD模拟揭示了液体介质的影响和稳定性的起源。

【科学结论】

本文突破了单原子金属玻璃化的传统限制，展示了通过超快脉冲激光烧蚀结合液体介质实现的玻璃化方法。研究表明，金（Au）等难以玻璃化的金属可以通过快速冷却和抑制异质成核来成功制备金属玻璃（MMG）。这一方法不仅突破了面心立方（fcc）、六方密排（hcp）和体心立方（bcc）单原子金属的玻璃化限制，还为制备高稳定性金属玻璃提供了新的策略。通过超快激光烧蚀过程生成的液体介质中，多种原子配置可以同时存在，这种配置的多样性为研究和开发新型金属玻璃提供了广阔的选择空间。此外，本研究展示了高稳定性的金属玻璃的形成机制，即强的拓扑挫折和冰菱形簇的存在，这为深入理解玻璃态形成及其稳定性提供了新的视角。

原文详情：Tong, X., Zhang, YE., Shang, BS. et al. Breaking the vitrification limitation of monatomic metals. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01967-0