特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。1948 年，Kauzmann 注意到，所有過冷液體如果在冷卻時不結晶，就必須凝固成玻璃形式以避免熵危機，這意味著所有液體都可能被玻璃化，而玻璃形成是物質的內在屬性。沿著這一思路，20世紀 50 年代，Turnbull 和 Cohen 成功地使一些純金屬過冷，推翻了當時純金屬不能過冷的共識。Turnbull 和 Cohen還認為，即使是純金屬也可以玻璃化并實現內部穩定。過去幾十年來，人們做出了巨大的努力來玻璃化單原子金屬，但大多數單原子金屬玻璃 (MMG) 的真正實驗室演示尚未實現。到目前為止，只有少數特定的單原子金屬，通過幾種特定的方法和技術玻璃化成 MMG。2、迫切需要一種可以制備多種構型的方法，進而制備出最穩定的構型即使高的冷卻速度也無法玻璃化面心立方 (fcc) 或六方密堆積 (hcp) 單原子金屬。fcc/hcp 金屬無法玻璃化可能是由于周圍晶體金屬中過冷液體的異相成核和快速晶體生長，這意味著在玻璃化密堆積金屬時應避免異相成核。在 fcc 金屬中，應考慮適當的介質，結合熔化和快速淬火工藝，以抑制異質成核并使單原子密堆積金屬玻璃化，但主要局限在于無法獲得穩定的構型。 有鑒于此，松山湖材料實驗室汪衛華院士、柯海波研究員、中國科學院物理所白海洋教授、北京大學周繼寒研究員等人報道了在液體介質中采用皮秒脈沖激光燒蝕法對極難玻璃化的金以及幾種類似的密堆積面心立方和六方金屬進行了玻璃化。玻璃化是通過激光燒蝕過程中的快速冷卻和液體介質對成核的抑制而發生的。使用這種方法，可以同時生成大量原子構型，包括玻璃態構型，并從中采樣穩定的玻璃態。模擬表明，單原子金屬的良好穩定性源于二十面體狀團簇的強拓撲失穩。該工作突破了物質玻璃形成能力的限制，表明玻璃化是物質的本征特性，并從原子結構角度為金屬玻璃的制備和設計提供了策略。作者創新地利用皮秒激光燒蝕法在室溫液體中制備純凈金屬玻璃態納米粒子，成功應用于難玻璃化金屬如金和釕。作者在TEM 期間用電子束照射非晶結構區域，顯示了電子輻照期間 Au MMG 中非晶區域從無序到有序的轉變，證實了單個金和釕金屬玻璃化過程。3、證實了從單原子金屬廣泛制備MMG NP的可行性作者通過皮秒脈沖激光燒蝕技術在液體介質中快速冷卻，實現了包括bcc、hcp和fcc結構在內的17種單原子金屬的玻璃化，證實了該方法是一種普適的金屬玻璃化方法。作者通過MD模擬揭示了液體介質在冷卻階段的關鍵作用，表明通過調節原子配置的拓撲失穩，可以顯著改變玻璃的穩定性，為金屬玻璃的制備提供了新的策略和理論基礎。作者提出了一種新穎的室溫下液體介質中金屬的玻璃化方法，通過超快脈沖激光燒蝕實現快速冷卻，有效抑制成核，為金屬玻璃化提供了一種高效手段。2. 制備了高穩定性的多配置金屬玻璃納米粒子 (MMG)作者利用該方法能夠生產出具有多種不同配置的玻璃態納米粒子，這些粒子展現出不同程度的穩定性，其中一些能夠在室溫下維持無定形狀態，為研究玻璃化和脫玻璃化機制提供了新的材料平臺。 作者提出了一種創新的室溫下金屬玻璃化策略，通過皮秒脈沖激光燒蝕技術在液體介質中迅速冷卻金屬靶，成功制備了具有多種配置的金屬玻璃態納米粒子（MMG NPs）。該方法使用乙醇作為溶劑，無容器冷卻介質，實現了高達10,000K的燒蝕溫度，有效促進了單原子金屬的熔化和汽化。研究中以金（Au）為例，即使在雜質含量極低（低于0.001%）的情況下，也能獲得無定形結構的Au MMG NPs。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）和快速傅里葉變換（FFT）確認了NPs的非晶態結構，并通過電子能量損失譜（EELS）和X射線光電子能譜（XPS）排除了碳和氧的污染，證實了Au MMG的純凈度。此外，該方法還成功應用于釕（Ru）這種難以玻璃化的金屬，進一步證明了該技術的普適性和有效性。 然后在TEM 期間用電子束照射非晶結構區域，顯示了電子輻照期間 Au MMG 中非晶區域從無序到有序的轉變。晶體沿邊界外延生長，使得非晶區域耗盡并與晶體區域合并。由于在高電壓和足夠電子劑量下輻照，大多數非晶態金 (a-Au) 區域轉變為 fcc 金晶體。聚結也表明非晶區域是純金。在單個金和釕 MMG NPs上觀察到了類似的轉變。這些玻璃到晶體的轉變證實了單個金和釕金屬是通過激光輔助超快淬火方法玻璃化的。 接著，作者成功展示了一種普適的金屬玻璃化方法，通過皮秒脈沖激光燒蝕技術在液體介質中快速冷卻，實現了包括bcc、hcp和fcc結構在內的17種單原子金屬的玻璃化，制備出多種金屬玻璃態納米粒子（MMG NPs）。研究中觀察到，盡管部分金屬如Fe、Co和Ni周圍形成了碳殼，但大多數MMG NPs顯示出純凈的無定形結構。通過HR-TEM和FFT圖像確認了這些結構，并通過EELS及XPS排除了碳和氧的污染。液體介質在冷卻過程中發揮了關鍵作用，提供了超快冷卻速度和無容器/無污染的條件，有效抑制了異質成核，促進了無定形結構的形成。這一方法為制備純凈、穩定的金屬玻璃態材料提供了新的途徑。 圖 從單原子金屬（包括 bcc、hcp 和 fcc 金屬）中廣泛制備 MMG NP本研究通過皮秒脈沖激光燒蝕技術在液體介質中實現了單原子金屬的玻璃化，成功制備了包括Au在內的多種金屬玻璃態納米粒子（MMG NPs）。MD模擬揭示了液體介質在冷卻階段的關鍵作用，非晶態基底顯著降低了異質成核的可能性，促進了玻璃形成。實驗結果與模擬一致，表明在無容器/未污染條件下，fcc金屬也能在冷卻速度為1012–1013 K/s的條件下玻璃化。此外，研究還發現，通過調節原子配置的拓撲失穩，可以顯著改變玻璃的穩定性，其中類二十面體簇的形成對提高穩定性尤為關鍵。在液態乙醇環境中，金屬納米顆粒受到的強表面張力和靜水壓力有助于生成規則球形且穩定的非晶態納米顆粒，而在真空/Ar條件下則難以形成非晶結構。這一發現為金屬玻璃的制備提供了新的策略和理論基礎。 總之，作者介紹了 fcc Au 玻璃化成玻璃態的過程，其他 fcc、hcp 和 bcc 單原子金屬也會發生這種情況。Au MMG 的形成歸因于快速冷卻和異質成核的抑制。在液體中超快脈沖激光燒蝕過程中可以實現快速冷卻，其中適當的液體介質對于貴金屬 fcc 玻璃化至關重要。這兩個好處為非晶化提供了理想的環境，并大大抑制了晶體的異質成核和生長。該策略可以生成一個原子配置庫，以獲得具有不同穩定性的 MMG，其中一些可能非常穩定。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
