特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。1948 年，Kauzmann 注意到，所有过冷液体如果在冷却时不结晶，就必须凝固成玻璃形式以避免熵危机，这意味着所有液体都可能被玻璃化，而玻璃形成是物质的内在属性。沿着这一思路，20世纪 50 年代，Turnbull 和 Cohen 成功地使一些纯金属过冷，推翻了当时纯金属不能过冷的共识。Turnbull 和 Cohen还认为，即使是纯金属也可以玻璃化并实现内部稳定。过去几十年来，人们做出了巨大的努力来玻璃化单原子金属，但大多数单原子金属玻璃 (MMG) 的真正实验室演示尚未实现。到目前为止，只有少数特定的单原子金属，通过几种特定的方法和技术玻璃化成 MMG。2、迫切需要一种可以制备多种构型的方法，进而制备出最稳定的构型即使高的冷却速度也无法玻璃化面心立方 (fcc) 或六方密堆积 (hcp) 单原子金属。fcc/hcp 金属无法玻璃化可能是由于周围晶体金属中过冷液体的异相成核和快速晶体生长，这意味着在玻璃化密堆积金属时应避免异相成核。在 fcc 金属中，应考虑适当的介质，结合熔化和快速淬火工艺，以抑制异质成核并使单原子密堆积金属玻璃化，但主要局限在于无法获得稳定的构型。 有鉴于此，松山湖材料实验室汪卫华院士、柯海波研究员、中国科学院物理所白海洋教授、北京大学周继寒研究员等人报道了在液体介质中采用皮秒脉冲激光烧蚀法对极难玻璃化的金以及几种类似的密堆积面心立方和六方金属进行了玻璃化。玻璃化是通过激光烧蚀过程中的快速冷却和液体介质对成核的抑制而发生的。使用这种方法，可以同时生成大量原子构型，包括玻璃态构型，并从中采样稳定的玻璃态。模拟表明，单原子金属的良好稳定性源于二十面体状团簇的强拓扑失稳。该工作突破了物质玻璃形成能力的限制，表明玻璃化是物质的本征特性，并从原子结构角度为金属玻璃的制备和设计提供了策略。作者创新地利用皮秒激光烧蚀法在室温液体中制备纯净金属玻璃态纳米粒子，成功应用于难玻璃化金属如金和钌。作者在TEM 期间用电子束照射非晶结构区域，显示了电子辐照期间 Au MMG 中非晶区域从无序到有序的转变，证实了单个金和钌金属玻璃化过程。3、证实了从单原子金属广泛制备MMG NP的可行性作者通过皮秒脉冲激光烧蚀技术在液体介质中快速冷却，实现了包括bcc、hcp和fcc结构在内的17种单原子金属的玻璃化，证实了该方法是一种普适的金属玻璃化方法。作者通过MD模拟揭示了液体介质在冷却阶段的关键作用，表明通过调节原子配置的拓扑失稳，可以显著改变玻璃的稳定性，为金属玻璃的制备提供了新的策略和理论基础。作者提出了一种新颖的室温下液体介质中金属的玻璃化方法，通过超快脉冲激光烧蚀实现快速冷却，有效抑制成核，为金属玻璃化提供了一种高效手段。2. 制备了高稳定性的多配置金属玻璃纳米粒子 (MMG)作者利用该方法能够生产出具有多种不同配置的玻璃态纳米粒子，这些粒子展现出不同程度的稳定性，其中一些能够在室温下维持无定形状态，为研究玻璃化和脱玻璃化机制提供了新的材料平台。 作者提出了一种创新的室温下金属玻璃化策略，通过皮秒脉冲激光烧蚀技术在液体介质中迅速冷却金属靶，成功制备了具有多种配置的金属玻璃态纳米粒子（MMG NPs）。该方法使用乙醇作为溶剂，无容器冷却介质，实现了高达10,000K的烧蚀温度，有效促进了单原子金属的熔化和汽化。研究中以金（Au）为例，即使在杂质含量极低（低于0.001%）的情况下，也能获得无定形结构的Au MMG NPs。通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和快速傅里叶变换（FFT）确认了NPs的非晶态结构，并通过电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）排除了碳和氧的污染，证实了Au MMG的纯净度。此外，该方法还成功应用于钌（Ru）这种难以玻璃化的金属，进一步证明了该技术的普适性和有效性。 然后在TEM 期间用电子束照射非晶结构区域，显示了电子辐照期间 Au MMG 中非晶区域从无序到有序的转变。晶体沿边界外延生长，使得非晶区域耗尽并与晶体区域合并。由于在高电压和足够电子剂量下辐照，大多数非晶态金 (a-Au) 区域转变为 fcc 金晶体。聚结也表明非晶区域是纯金。在单个金和钌 MMG NPs上观察到了类似的转变。这些玻璃到晶体的转变证实了单个金和钌金属是通过激光辅助超快淬火方法玻璃化的。 接着，作者成功展示了一种普适的金属玻璃化方法，通过皮秒脉冲激光烧蚀技术在液体介质中快速冷却，实现了包括bcc、hcp和fcc结构在内的17种单原子金属的玻璃化，制备出多种金属玻璃态纳米粒子（MMG NPs）。研究中观察到，尽管部分金属如Fe、Co和Ni周围形成了碳壳，但大多数MMG NPs显示出纯净的无定形结构。通过HR-TEM和FFT图像确认了这些结构，并通过EELS及XPS排除了碳和氧的污染。液体介质在冷却过程中发挥了关键作用，提供了超快冷却速度和无容器/无污染的条件，有效抑制了异质成核，促进了无定形结构的形成。这一方法为制备纯净、稳定的金属玻璃态材料提供了新的途径。 图 从单原子金属（包括 bcc、hcp 和 fcc 金属）中广泛制备 MMG NP本研究通过皮秒脉冲激光烧蚀技术在液体介质中实现了单原子金属的玻璃化，成功制备了包括Au在内的多种金属玻璃态纳米粒子（MMG NPs）。MD模拟揭示了液体介质在冷却阶段的关键作用，非晶态基底显著降低了异质成核的可能性，促进了玻璃形成。实验结果与模拟一致，表明在无容器/未污染条件下，fcc金属也能在冷却速度为1012–1013 K/s的条件下玻璃化。此外，研究还发现，通过调节原子配置的拓扑失稳，可以显著改变玻璃的稳定性，其中类二十面体簇的形成对提高稳定性尤为关键。在液态乙醇环境中，金属纳米颗粒受到的强表面张力和静水压力有助于生成规则球形且稳定的非晶态纳米颗粒，而在真空/Ar条件下则难以形成非晶结构。这一发现为金属玻璃的制备提供了新的策略和理论基础。 总之，作者介绍了 fcc Au 玻璃化成玻璃态的过程，其他 fcc、hcp 和 bcc 单原子金属也会发生这种情况。Au MMG 的形成归因于快速冷却和异质成核的抑制。在液体中超快脉冲激光烧蚀过程中可以实现快速冷却，其中适当的液体介质对于贵金属 fcc 玻璃化至关重要。这两个好处为非晶化提供了理想的环境，并大大抑制了晶体的异质成核和生长。该策略可以生成一个原子配置库，以获得具有不同稳定性的 MMG，其中一些可能非常稳定。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
