胡良兵，2002年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，2007年在加州大學(xué)洛杉磯分校獲得博士學(xué)位。2006年與他人共同創(chuàng)立Unidym公司，從事基于碳納米管的柔性透明電極的大規(guī)模生產(chǎn)及其用于觸摸屏、柔性O(shè)LEDs、太陽能電池的研究。2009-2011年期間，以博士后的身份加入斯坦福大學(xué)崔屹課題組從事納米材料和納米結(jié)構(gòu)用于能源器件的研究。目前是美國馬里蘭大學(xué)（帕克校區(qū)）副教授。他的研究興趣包括：納米材料和納米結(jié)構(gòu)，大規(guī)模的納米制造，儲能器件如固態(tài)電池、鈉離子電池，印制電子。獲得如下諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，包括：Nano Letters Young Investigator Lectureship（2017），海軍研究辦公室青年研究員獎(jiǎng)（2016），ACS能源和燃料新興研究員獎(jiǎng)（2016），SME杰出青年制造工程師獎(jiǎng)（2016），馬里蘭大學(xué)青年教師獎(jiǎng)（工程學(xué)院，2015年），3M非終身教職員獎(jiǎng)（2015年），馬里蘭州杰出青年工程師（2014年），馬里蘭大學(xué)年度發(fā)明獎(jiǎng)（2014年物理科學(xué)），美國校園之星工程教育學(xué)會（2014年），空軍青年研究員獎(jiǎng)（AFOSR YIP，2013年）等。目前已經(jīng)發(fā)表了250多篇研究論文，三次登上Science封面。
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胡良兵，起初以“木頭大王”的名聲聞名于世。
自從2018年在Science封面集齊8種金屬以來，他在高熵合金研究領(lǐng)域，同樣成了“天花板”一樣的存在。
近日，胡良兵教授針對在高熵納米粒子的合成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方面的重要進(jìn)展和關(guān)鍵問題進(jìn)行了綜述，探討了計(jì)算引導(dǎo)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的高熵納米粒子加速探索的潛力和實(shí)施，分析了高熵納米粒子多維空間中的合成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系。相關(guān)綜述以《High-entropy nanoparticles: Synthesis-structure-property relationships and data-driven discovery》發(fā)表在Science上。
高熵納米粒子（四種以上元素均勻混合成固溶體結(jié)構(gòu)，如合金、金屬玻璃、金屬間化合物、氧化物、氟化物、硫化物、碳化物、MXenes和范德華材料）的多樣性（多元素組合的巨大組成空間特性）為新材料（組合）、新性能（催化活性、選擇性、穩(wěn)定性）以及新應(yīng)用提供了可能。高熵納米粒子也已在很多領(lǐng)域（如：能源、催化）顯示出巨大的希望。高熵納米粒子的組成靈活性能夠微調(diào)催化活性，而高熵固溶體混合可能提供在惡劣條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，高熵納米粒子中的多元素協(xié)同作用提供了多種吸附位點(diǎn)（復(fù)雜原子混合構(gòu)型特性），導(dǎo)致其在多步串聯(lián)反應(yīng)（如CO2-C1-C2反應(yīng)）或需要多功能催化劑的反應(yīng)展現(xiàn)出非凡的潛力。
然而，機(jī)遇總伴隨挑戰(zhàn)，高熵納米粒子復(fù)雜的成分以及原子排列方式給其設(shè)計(jì)、合成、表征和應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)。i）考慮到不同組成元素之間的物理化學(xué)性質(zhì)（例如原子大小和電子結(jié)構(gòu)）的廣泛跨度，以高度可控的方式合成高熵納米粒子是困難的，目前還沒有提供詳細(xì)的結(jié)構(gòu)理解或揭示不同成分的常規(guī)合成路線。ii）由于復(fù)雜的原子構(gòu)型和具有相似電子對的多個(gè)元素，表征高熵納米粒子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)（例如反應(yīng)性表面和缺陷）具有挑戰(zhàn)性。此外，我們對元素組成和合成方法如何影響高熵納米粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的知之甚少。因此，充分了解高熵納米粒子對于指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要
圖1. 開發(fā)具有多元素組成和增強(qiáng)功能的高熵納米粒子。
二、高熵納米粒子合成及表征
高熵納米粒子，顧名思義是具有高熵的納米粒子，結(jié)構(gòu)的構(gòu)型熵會隨著元素?cái)?shù)量的增加而增加，其合成在熱力學(xué)上也是焓和熵競爭的結(jié)果。多元素相互作用的焓則取決于組成元素的性質(zhì)，高負(fù)焓值有利于結(jié)構(gòu)有序。當(dāng)多元素組成的焓值接近零值，則熵項(xiàng)占主導(dǎo)地位并促進(jìn)均勻隨機(jī)元素混合和高熵形成。因此，由于不同元素之間的物理化學(xué)差異很大（即焓值的范圍很廣，很難趨近于零）是制備自然單相混合高熵納米粒子巨大挑戰(zhàn)性。高溫“熱沖擊”工藝則克服了這一困難，此方法中冷卻速率會影響非平衡程度和實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)有序性，合成過程的短持續(xù)時(shí)間和快速淬火特點(diǎn)也有助于形成小而均勻的顆粒。此外，氣相火花放電、快速輻射加熱或退火、低溫氫溢出、濺射等動力學(xué)驅(qū)動方法被提出。此外，根據(jù)氧化電位（圖2e）還可以定向合成高熵納米粒子，即較小氧化電位的元素合成合金納米粒子，較大的氧化電位的元素形成高熵氧化物納米顆粒，而中等氧化電位的元素在金屬和氧化物狀態(tài)之間切換。
常規(guī)技術(shù)(PXRD/SEM/TEM/XPS)可以幫助確定高熵納米粒子基本相結(jié)構(gòu)、形態(tài)、元素分布和價(jià)態(tài)，但可能缺乏解耦多元素混合所需的分辨率。同步加速器X射線(同步加速器XRD/XAS)的技術(shù)則可以高分辨率地了解高熵納米粒子的原子排列、鍵合和配位以及電子特性；原位TEM可以揭示了高熵納米粒子形成過程以及它們在有缺陷的碳基底上的分散和穩(wěn)定性；四維掃描透射電子顯微鏡能夠快速和高分辨率地表征高熵納米粒子的局部晶格畸變、結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和短-范圍排序；原子電子斷層掃描可以解析高達(dá)八種元素的高熵金屬玻璃納米粒子的3D原子結(jié)構(gòu)。
圖2. 高熵納米粒子合成與結(jié)構(gòu)。
圖3. 高熵納米粒子的表征。
三、高熵納米粒子活性/選擇性與穩(wěn)定性
火山曲線是我們廣而熟知的關(guān)于催化活性的評估圖，即反應(yīng)物或中間體與催化劑表面的結(jié)合既不能太強(qiáng)也不能太弱以最大限度地提高性能，高熵合金則可以克服單一元素的固有特性，通過電子雜化是材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)加寬的、多峰的、幾乎連續(xù)的活性曲線（即活性范圍寬，有多個(gè)活性位點(diǎn)中心），與簡單的催化劑相比，高熵納米粒子提供了復(fù)雜的原子構(gòu)型、多樣的吸附位點(diǎn)和可調(diào)的結(jié)合能，通過多元素設(shè)計(jì)和組成調(diào)節(jié)，則可以調(diào)整以獲得最佳催化性能所需的表面性質(zhì)。此外，高熵納米粒子的寬帶吸附能量平臺對于串聯(lián)和復(fù)雜反應(yīng)中的催化特別有前景，實(shí)現(xiàn)整體的高活性/選擇性。
熱力學(xué)上，高熵性質(zhì)有利于高熵納米粒子的形成和穩(wěn)定；動力學(xué)上，高熵混合因?yàn)?/span>不同元素的尺寸不匹配和導(dǎo)致的晶格畸變，有助于防止相偏析的大擴(kuò)散勢壘，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，高溫沖擊合成方法可以使高熵納米粒子和基底之間的界面穩(wěn)定性更好，以避免顆粒聚集。
圖4. 高熵納米粒子的催化性能。
四、高通量篩選-機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）
通過ML-高通量篩選（基于第一性原理）以數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料發(fā)現(xiàn)的方法可以開發(fā)用于靶向催化反應(yīng)方案的高熵納米粒子，以及在復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)合能分布條件下，識別高熵納米粒子中的催化活性位點(diǎn)。此外，高通量計(jì)算還可用于多元素成分的相預(yù)測，能夠篩選數(shù)百萬種元素組成，實(shí)現(xiàn)高熵納米粒子的直接高通量合成和篩選。其中機(jī)器學(xué)習(xí)可通過廣泛預(yù)測未測量的成分、引導(dǎo)探索以快速找到性能最優(yōu)值以及對成分和過程結(jié)構(gòu)的定量理解，來加速材料發(fā)現(xiàn)-屬性關(guān)系。主要思路如下：
i) 模型構(gòu)建和模擬數(shù)據(jù)生成（嘗試使用理論模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將多元素協(xié)同作用解耦為配體效應(yīng)（不同的元素）和配位效應(yīng)（不同的結(jié)構(gòu)），以將結(jié)構(gòu)特征與其催化性能相關(guān)聯(lián)）；
ii) 模擬數(shù)據(jù)的ML和擬合（主動-逐步學(xué)習(xí)，引導(dǎo)優(yōu)化，采樣訓(xùn)練）;
iii) ML在更大的組成空間中進(jìn)行廣泛的探索和篩選;
iv) 對先前模擬和ML模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和反饋。
圖5. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的高熵納米粒子發(fā)現(xiàn)。
結(jié)語
高熵納米粒子材料目前處于起步階段，需要在i）可控合成（目標(biāo)表面成分和原子排列）；ii)精確表征（高熵納米粒子的表面、有序、缺陷和動態(tài)演化）；iii)精準(zhǔn)鑒定活性位點(diǎn)（識別和了解高熵納米粒子的性能來源）；iv) 快速高通量-機(jī)器學(xué)習(xí)（快速篩選和合成高熵納米粒子）這四個(gè)方面投入更大的精力，以加速探索多元素空間中的高熵納米粒子。
參考文獻(xiàn)：
Yonggang Yao, Qi Dong et al., High-entropy nanoparticles: Synthesis-structure-property relationships and data-driven discovery. Science 376, eabn3103 (2022)
DOI: 10.1126/science.abn3103
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3103
