研究背景

玻璃态材料是指在液体冷却至超低温时未发生晶化而形成的非晶态固体，其在科学研究和工业应用中具有重要意义。由于玻璃态材料在电子、光学和机械领域的优异性能，使其成为了研究热点。 然而，许多单原子金属，特别是面心立方（fcc）结构的金属，如金（Au）、镍（Ni）等，因其难以玻璃化成为了巨大的挑战。传统方法在这些金属的玻璃化过程中往往会遭遇异质成核问题，即因周围的晶体或杂质催化的晶核形成，这会导致玻璃态材料的形成受到限制。

成果简介

有鉴于此，松山湖材料实验室柯海波, 白海洋教授、 汪卫华院士，北京大学周继寒教授等人合作提出了一种新的方法——超快脉冲激光烧蚀液体介质中的金属目标。这种方法通过在激光烧蚀过程中实现极快的冷却速率（达到1010至1013 K/s），并利用液体介质抑制异质成核，成功地在室温下实现了金及其他fcc和hcp单原子金属的玻璃化。相关成果在Nature Materials期刊上发表了题为“Breaking the vitrification limitation of monatomic metals”的最新论文。

这一方法可以在一次处理过程中产生大量不同的原子配置，从中筛选出稳定的玻璃态，并且有望为其他难以玻璃化的金属提供新的制备策略。研究结果表明，该方法显著提高了金属玻璃的稳定性，突破了传统玻璃化方法的限制，为金属玻璃的制备和设计提供了新的视角。

1. 实验首次通过在液体介质中使用超快脉冲激光烧蚀技术成功实现了面心立方（fcc）金属金（Au）的玻璃化，克服了传统方法无法玻璃化的困难。 2. 实验通过这一方法实现了金及其他fcc、六方密排（hcp）和体心立方（bcc）单原子金属的玻璃化。快速冷却和液体介质的抑制异质成核共同作用，为非晶化提供了理想的环境。具体结果包括：

采用超快脉冲激光烧蚀技术在液体介质中实现了金属玻璃（MMG）的形成，有效抑制了晶体的异质成核和生长。

该方法能够生成具有多种原子配置的MMG样品，部分样品表现出极高的稳定性。

通过透射电子显微镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）等分析手段确认了金属玻璃的纯度和结构特征，显示出所生成的MMG具有较高的纯度，并且不同金属的玻璃化也得到了验证。

图文解读

图1：在乙醇介质中，激光辅助超快淬灭方法和fcc (Au)和hcp (Ru) 单原子金属玻璃MMG 纳米粒子NPs制备示意图。

结论展望

本文打破了传统观点，即只有某些金属能够玻璃化。通过使用超快脉冲激光烧蚀技术在液体介质中快速冷却，作者成功地将面心立方（fcc）金属金（Au）及其他类型的单原子金属转变为玻璃态。这一发现表明，玻璃化是物质的内在属性，而不仅仅是某些特定条件下的偶然现象。其次，研究揭示了抑制异质成核的重要性，这为未来材料科学中的金属玻璃设计提供了新的思路。通过合适的液体介质和快速冷却，研究人员能够有效地抑制晶体的形成，从而实现更广泛的玻璃化。这种方法不仅能生成具有不同稳定性的多种原子配置，还为开发高稳定性金属玻璃提供了新的途径。总之，本研究为理解金属玻璃的形成机制和拓展其应用领域提供了宝贵的理论和实践基础。

文献信息

Tong, X., Zhang, YE., Shang, BS. et al. Breaking the vitrification limitation of monatomic metals. Nat. Mater. (2024).