0.8 納米！中科大 + 安師大用激光 “快熱快冷”，造出改寫規(guī)則的亞納米高熵合金
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2025-10-27 15:21:39
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2025年10月20日，一則重磅消息震撼了材料科學(xué)界：安徽師范大學(xué)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊，在溫和條件下利用激光輻照技術(shù)，成功創(chuàng)制出亞納米級高熵合金。 這項成果不僅登上了國際頂級材料期刊《自然·材料》（Nature Materials），更被業(yè)內(nèi)專家稱為繼“原子抽提”之后，中國在“原子經(jīng)濟”領(lǐng)域又一次里程碑式的突破，為能源、軍工、電子等多領(lǐng)域帶來顛覆性變革。 一、高熵合金難題：傳統(tǒng)制備的困境 要理解這項技術(shù)的革命性，先得搞清楚什么是高熵合金（High-Entropy Alloys,HEAs）。傳統(tǒng)合金，比如不銹鋼，通常是以一種金屬為主（如鐵），再摻入少量其他元素（如鉻、鎳）來改善性能。而高熵合金則完全不同：它由五種或更多金屬元素以近似等比例混合而成，形成一種結(jié)構(gòu)高度無序但性能極為優(yōu)異的新型材料。 科研團隊形象地比喻：“就像把性格迥異的十個人塞進同一間辦公室，還要讓他們高效協(xié)作。”如果組織不當(dāng)，就會“各自為政”，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)相分離、團聚、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。這正是長期以來制約高熵合金發(fā)展的核心難題。 更難的是，要把這種復(fù)雜的多金屬體系做到亞納米級（<1納米，約幾個原子直徑大小），幾乎是對物理極限的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法需要上千攝氏度的高溫熔煉，不僅能耗巨大，而且容易導(dǎo)致某些貴金屬揮發(fā)或偏析，最終產(chǎn)物顆粒粗大、活性低、成本高?？蒲袌F隊曾形象地比喻，這就像“煮一鍋粥，火太大容易糊底，火太小又煮不熟”，必須找到那個“剛剛好”的火候。 二、激光“快熱快冷”：中國團隊的破局密鑰 安徽師大與中科大團隊沒有走傳統(tǒng)高溫路線，而是另辟蹊徑，用一束納秒級脈沖激光，打開了通往亞納米高熵合金的大門。他們的實驗設(shè)計堪稱“精妙”：將含有多種金屬鹽的溶液與金納米顆?；旌希缓笥眉{秒級激光脈沖照射。 關(guān)鍵就在于金納米顆粒的“等離激元光熱效應(yīng)”——當(dāng)特定波長的激光打在金顆粒上時，其表面自由電子會發(fā)生集體振蕩，瞬間釋放出巨大的能量。這個過程帶來了兩大“超能力”： 1.超快升溫：在納秒（十億分之一秒）內(nèi)，金顆粒表面溫度可飆升至2000℃以上，足以讓所有金屬前驅(qū)體瞬間熔融、活化。 2.超快冷卻：激光脈沖結(jié)束后，熱量迅速散失，降溫速率高達每秒100億攝氏度！如此極端的冷卻速度，使得不同金屬原子來不及“分家”，被迫“凍結(jié)”在均勻混合的狀態(tài)中，形成穩(wěn)定的高熵結(jié)構(gòu)。 這種“快熱快冷”的極端非平衡過程，完美繞開了傳統(tǒng)熱力學(xué)限制，實現(xiàn)了多種金屬在原子尺度上的高度均質(zhì)化。更令人驚嘆的是，整個反應(yīng)在常溫常壓下進行，無需復(fù)雜設(shè)備，能耗極低。 據(jù)論文數(shù)據(jù)顯示，科研團隊成功合成了包含金、鉑、釕、銠、銥五種貴金屬的亞納米高熵合金，平均粒徑僅為0.8納米，接近單原子級別。更進一步，他們驗證了該方法的普適性——最多可整合多達十種金屬元素，為材料設(shè)計提供了前所未有的自由度。 三、“原子經(jīng)濟”新范式：資源利用的極致優(yōu)化 這項技術(shù)之所以被稱為“原子經(jīng)濟”的典范，核心在于它實現(xiàn)了資源利用效率的極致優(yōu)化。所謂“原子經(jīng)濟”，最早由諾貝爾化學(xué)獎得主巴里·夏普萊斯提出，指的是在化學(xué)反應(yīng)中，盡可能讓反應(yīng)物中的每一個原子都進入最終產(chǎn)物，減少浪費。而在材料科學(xué)中，“原子經(jīng)濟”意味著：用最少的原子，實現(xiàn)最高的性能輸出。 以催化領(lǐng)域為例，目前全球每年消耗數(shù)萬噸貴金屬用于工業(yè)催化，尤其是鉑、鈀、銥等稀有金屬，價格昂貴且儲量有限。傳統(tǒng)催化劑中，大量貴金屬被“埋”在顆粒內(nèi)部，真正參與反應(yīng)的只是表面少數(shù)原子，利用率往往不足10%。 而此次合成的亞納米高熵合金，由于尺寸極小、比表面積極大，幾乎每個原子都能暴露在表面并參與催化反應(yīng)。實驗表明，在電解水產(chǎn)氫反應(yīng)中，這種新材料的催化活性是商用鉑碳催化劑的5倍以上，且穩(wěn)定性極佳，連續(xù)工作100小時性能無衰減。 這意味著什么？同等催化效果下，貴金屬用量可減少80%以上。按當(dāng)前鉑金約300元/克的價格計算，僅此一項技術(shù)，就可能為氫能產(chǎn)業(yè)每年節(jié)省數(shù)十億元成本。 四、潛力與全球競爭：戰(zhàn)略級突破 高熵合金因其高強度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕、抗輻照等特性，被視為下一代高端裝備的核心材料。 而中國在這條賽道上已悄然領(lǐng)先。據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局最新數(shù)據(jù)，截至2025年9月，中國在高熵合金領(lǐng)域的專利申請量已達3569件，位居全球第一，遠超美國的500件。 此次亞納米級高熵合金的突破，將進一步提升材料的輕量化、強韌化水平。例如，將其用于火箭發(fā)動機噴管或戰(zhàn)斗部外殼，可在減輕重量的同時提高抗沖擊能力。 回顧過去幾十年，中國在高端材料領(lǐng)域長期受制于人：高端軸承鋼依賴日本，航空鈦合金受限歐美，光刻膠、碳纖維等“卡脖子”問題屢見報端。但近年來，隨著國家對基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，一批原創(chuàng)性成果接連涌現(xiàn)。從“原子制造”到“量子材料”，從“超導(dǎo)突破”到“高熵合金”，中國正逐步擺脫“模仿者”角色，成為全球新材料創(chuàng)新的重要策源地。 此次亞納米高熵合金的誕生，不僅展示了中國在極端制造、原子尺度調(diào)控、多學(xué)科交叉方面的深厚積累，更意味著我們正在構(gòu)建一條從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整創(chuàng)新鏈。 更重要的是，這項技術(shù)具備極強的可擴展性與產(chǎn)業(yè)化前景。在能源領(lǐng)域，亞納米級高熵合金可替代傳統(tǒng)鉑基催化劑，大幅降低燃料電池成本；在環(huán)保領(lǐng)域，其高效催化性能可加速工業(yè)廢氣處理；甚至在醫(yī)療領(lǐng)域，含釓、鏑等稀土元素的高熵合金正被探索用于癌癥靶向治療。 未來，隨著這項技術(shù)的進一步產(chǎn)業(yè)化，我們或許將見證一個由“原子級精準(zhǔn)制造”驅(qū)動的新時代。而中國，正站在這一浪潮的最前沿，引領(lǐng)著全球材料科學(xué)的發(fā)展方向。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_587891.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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