图 液态金属原子制造高熵合金示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：22025303、21905210、11974156）等资助下，武汉大学付磊教授团队、郭宇铮教授团队与南方科技大学林君浩副教授团队合作，以液态金属作为反应媒介，实现了多种高熵合金体系的原子级精准合成，即原子制造。相关研究成果以“液态金属用于高熵合金纳米颗粒合成（Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis）”为题，近日发表在《自然》（Nature）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06082-9。
高熵合金通常由五种或五种以上主元金属组成，将多种金属原子进行精准合成得到高熵合金，具有重要的意义。作为一种突破传统合金设计理念的新型合金，高熵合金具有独特且优异的性质，有望在航空航天、生物医用等应用领域发挥重要的作用。然而，在合金化时，多种不同原子的本征物理化学性质差异会阻碍高熵化的实现，目前已报道的高熵合金合成方法大多需要借助高温的反应过程以及超快的降温过程，不利于高熵合金进一步的精细调控。
针对这一难题，上述研究团队提出将液态金属用于高熵合金的原子制造策略。液态金属（例如镓）与多种金属之间具有较负的混合焓，反映了较亲和的元素间相互作用力；此外，液态金属独特的低温流动性也可以促进多种元素的均匀混合，这为液态金属辅助的高熵合金的原子制造提供了可能。该策略对多种高熵合金体系具有较好的适用性，团队实现了具有不同晶体结构、熔点范围和半径范围的多种金属元素的精准合成。透射电镜证明元素均匀混合，得到的产物具有较好的结晶性。通过原位环境球差电镜结合原位同步辐射X射线衍射技术，研究团队发现液态金属辅助高熵合金原子制造过程中发生了“融合-裂分”行为以及晶化现象。基于机器学习势函数的动力学模拟也验证了该合金化机制。该成果拓展了基于液态金属的原子制造方法学，为多元合金等新型材料与功能材料的原子级精准合成提供了新的思路。