Nature | 武汉大学付磊/郭宇铮/曾梦琪/南方科技大学林君浩首次使用液态金属用于高熵合金纳米颗粒的合成

高熵合金纳米颗粒(HEA-NPs)作为功能材料具有广阔的应用前景。然而，到目前为止，已实现的高熵合金仅限于相似元素的”调色板“，这极大地阻碍了不同应用的材料设计、性能优化和机理探索。

2023年6月14日，武汉大学付磊，郭宇铮，曾梦琪及南方科技大学林君浩共同通讯在Nature 在线发表题为”Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis“的研究论文，该研究发现具有负混合焓的液态金属可以提供稳定的热力学条件，并作为理想的动态混合储层，从而在温和的反应条件下实现多种金属元素的HEA-NPs的合成。

所涉及的元素具有广泛的原子半径(1.24-1.97 Å)和熔点(303-3,683 K)。该研究还通过混合焓调谐实现了纳米颗粒的精确制造结构。此外，实时转换过程(即从液态金属到结晶HEA-NPs)被原位捕获，这证实了合金过程中的动态裂变-聚变行为。

高熵合金(HEAs)作为一种理想的功能材料得到了广泛的应用。当HEAs的尺寸减小到纳米级时，高比表面积、强协同效应、可定制的成分变化和严重的晶格畸变使高熵合金纳米颗粒(HEA-NPs)成为许多表面反应的理想平台。混合元素的化学和物理性质的巨大差异导致在合金化反应中存在大量的不混相。

虽然有报道称高熵可以增强形成均匀相的倾向，但在合成过程中对极端加热温度的要求总是很高，以提供高混合熵，这进一步需要淬火合金反应以保持高熵状态。稀有元素的自催化行为也可用于降低反应温度的HEA-NP合成，但仅在有限的体系中实现。到目前为止，开发一种对合成条件具有高耐受性和广泛元素选择的合成策略仍然是可取的和具有挑战性的。

由于元素的混合焓代表了元素之间的亲和关系，所以除了混合熵之外，混合焓对HEA形成的贡献也不可忽视。通过降低混合焓来降低吉布斯自由能，可以得到HEA-NPs。除了降低混合焓以克服不混相问题外，合金反应中的同步动态混合环境也是一个重要的促进因素。对于动态混合过程，液态通常被认为是合金制造策略中理想的合金化环境。然而，达到液相需要高于所涉及金属元素熔点的极高温度，这限制了HEAs的制备。

HEA-NPs的合成与表征（图源自Nature ）

研究人员注意到，某些具有低熔点的液态金属正在成为各种领域中非常理想的候选者。液态金属参与合金化过程时，独特的反应环境可能导致低温下的合金化反应。例如，室温液态金属Ga与其他金属元素的混合焓为负，是理想的合金基体。因此，液态金属可以被设计成制备复杂多组分合金的理想储层，这些合金有望在高耐受性条件下均匀混合不同的金属元素。

该研究发现具有负混合焓的液态金属可以提供稳定的热力学条件，并作为理想的动态混合储层，从而在温和的反应条件下实现多种金属元素的HEA-NPs的合成。所涉及的元素具有广泛的原子半径(1.24-1.97 Å)和熔点(303-3,683 K)。该研究还通过混合焓调谐实现了纳米颗粒的精确制造结构。此外，实时转换过程(即从液态金属到结晶HEA-NPs)被原位捕获，这证实了合金过程中的动态裂变-聚变行为。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06082-9

转自：“iNature”微信公众号

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