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0.8 納米！中科大 + 安師大用激光 “快熱快冷”，造出改寫規則的亞納米高熵合金

文章來源：賢集網更新時間：2025-10-27 15:21:39

2025年10月20日，一則重磅消息震撼了材料科學界：安徽師范大學聯合中國科學技術大學科研團隊，在溫和條件下利用激光輻照技術，成功創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），更被業內專家稱為繼“原子抽提”之后，中國在“原子經濟”領域又一次里程碑式的突破，為能源、軍工、電子等多領域帶來顛覆性變革。

一、高熵合金難題：傳統制備的困境

要理解這項技術的革命性，先得搞清楚什么是高熵合金（High-Entropy Alloys,HEAs）。傳統合金，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，形成一種結構高度無序但性能極為優異的新型材料。

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，還要讓他們高效協作。”如果組織不當，就會“各自為政”，導致材料內部出現相分離、團聚、結構不穩定等問題。這正是長期以來制約高熵合金發展的核心難題。

更難的是，要把這種復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。傳統方法需要上千攝氏度的高溫熔煉，不僅能耗巨大，而且容易導致某些貴金屬揮發或偏析，最終產物顆粒粗大、活性低、成本高。科研團隊曾形象地比喻，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。

關鍵就在于金納米顆粒的“等離激元光熱效應”——當特定波長的激光打在金顆粒上時，其表面自由電子會發生集體振蕩，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，金顆粒表面溫度可飆升至2000℃以上，足以讓所有金屬前驅體瞬間熔融、活化。

2.超快冷卻：激光脈沖結束后，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”在均勻混合的狀態中，形成穩定的高熵結構。

這種“快熱快冷”的極端非平衡過程，完美繞開了傳統熱力學限制，實現了多種金屬在原子尺度上的高度均質化。更令人驚嘆的是，整個反應在常溫常壓下進行，無需復雜設備，能耗極低。

據論文數據顯示，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，為材料設計提供了前所未有的自由度。

三、“原子經濟”新范式：資源利用的極致優化

這項技術之所以被稱為“原子經濟”的典范，核心在于它實現了資源利用效率的極致優化。所謂“原子經濟”，最早由諾貝爾化學獎得主巴里·夏普萊斯提出，指的是在化學反應中，盡可能讓反應物中的每一個原子都進入最終產物，減少浪費。而在材料科學中，“原子經濟”意味著：用最少的原子，實現最高的性能輸出。

以催化領域為例，目前全球每年消耗數萬噸貴金屬用于工業催化，尤其是鉑、鈀、銥等稀有金屬，價格昂貴且儲量有限。傳統催化劑中，大量貴金屬被“埋”在顆粒內部，真正參與反應的只是表面少數原子，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。實驗表明，在電解水產氫反應中，這種新材料的催化活性是商用鉑碳催化劑的5倍以上，且穩定性極佳，連續工作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。按當前鉑金約300元/克的價格計算，僅此一項技術，就可能為氫能產業每年節省數十億元成本。

四、潛力與全球競爭：戰略級突破

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先。據國家知識產權局最新數據，截至2025年9月，中國在高熵合金領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，將其用于火箭發動機噴管或戰斗部外殼，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，隨著國家對基礎研究的持續投入，一批原創性成果接連涌現。從“原子制造”到“量子材料”，從“超導突破”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、原子尺度調控、多學科交叉方面的深厚積累，更意味著我們正在構建一條從基礎研究到產業應用的完整創新鏈。

更重要的是，這項技術具備極強的可擴展性與產業化前景。在能源領域，亞納米級高熵合金可替代傳統鉑基催化劑，大幅降低燃料電池成本；在環保領域，其高效催化性能可加速工業廢氣處理；甚至在醫療領域，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，隨著這項技術的進一步產業化，我們或許將見證一個由“原子級精準制造”驅動的新時代。而中國，正站在這一浪潮的最前沿，引領著全球材料科學的發展方向。

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來源：賢集網
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