昨天深夜23:00，两篇来自武汉大学的Nature（《自然》）长文同时上线。这是武汉大学建校130年来首次，也是湖北省首次。武大科研人用硬核科研实力，献礼百卅校庆，奋进新时代新征程。快随珞珞珈珈一起来看看，卓尔不群的珞珈学术风采吧。

精准制造，挑战不可能。

付磊教授团队

Nature（《自然》）以长文（Article）形式发表了武汉大学化学与分子科学学院、高等研究院付磊教授团队关于液态金属的最新研究成果。论文题目为“Liquid metal for high-entropy alloy nanoparticles synthesis”（《液态金属用于高熵合金纳米颗粒的合成》）。

武汉大学为第一署名单位。武汉大学付磊团队的博士研究生曹光辉、梁晶晶、杨柯娜以及南方科技大学郭增龙为共同第一作者。武汉大学教授付磊、曾梦琪、郭宇铮和南方科技大学副教授林君浩为共同通讯作者。武汉大学硕士研究生汪汇流，博士研究生万旭昊、李泽源、张奕乐、刘峻麟、郑臻颖、鲁才，本科生何广智、熊择优，陈胜利教授、刘泽教授为共同作者。

高熵合金是一种由五种或五种以上主元金属组成的新型合金，在极端条件下结构力学、能源转换与存储、医疗器械等领域具有重要的应用前景。实现高熵合金的原子级精准制造是其应用的基础。不同元素的物理化学性质差异会限制元素间的均匀混溶，不仅理想的高熵态难以获得，元素的选择也备受限制。根据吉布斯函数（），高熵合金的合成通常依赖苛刻的高温反应条件（增大因子的贡献）来克服原子间不混溶性，并通过淬火等方式保持高熵态。在温和条件下实现高熵合金的多组元原子混溶有利于其可规模化、可定制化的精准制造，而这个目标极具挑战。

付磊团队独辟蹊径，以“混合焓”（）为切入点，降低反应吉布斯自由能变（），采用兼具负混合焓特性和流动性的液态金属，实现了温和条件下各类高熵合金体系的原子制造。液态金属（如镓）与大多数金属间亲和性好，混合焓为负值；且流动性良好，可加速传质，促进元素的均匀分散和合金化反应的进行。由此，在液态金属反应体系中，可在温和条件下实现高熵合金的多组元原子混溶，极大拓展了高熵合金的组分选择空间，有望促进其在更多关键领域的应用。

▲液态金属高熵合金原子制造示意图

研究工作得到了多方支持：武汉大学电气与自动化学院郭宇铮团队提供了分子动力学模拟支持；南方科技大学的林君浩团队利用球差校正高分辨透射电子显微镜对样品进行了表征。武汉大学陈胜利教授、刘泽教授，内蒙古工业大学白一甲副教授和松山湖材料实验室冯燕朋副研究员等合作者在研究过程提供了支持。研究工作还得到了武汉大学公共测试平台以及上海同步辐射光源的支持。

▲付磊教授科研团队

付磊团队长期致力于物质科学领域原子制造的研究（leifu.whu.edu.cn），发展了液态金属反应体系，实现了多类材料的原子制造。

液态金属机器人一直以来都是科幻电影中的经典角色，因为它们可以被打成碎片却能自动愈合，战斗力更是爆表。而现实生活中，液态金属也被越来越多地应用于科研工作中。

近日，《自然》杂志在线发表了武汉大学化学与分子科学学院、原子制造实验室教授付磊团队的最新研究成果。他们使用了一种特殊的液态金属，成功实现了多种高熵合金体系的原子制造，而且还使用了温和的条件，这刷新了人们传统的认知。液态金属显示出了其在实际应用中的巨大潜力。

高熵合金纳米粒子（HEA-NPs）作为功能材料具有巨大潜力.然而，到目前为止，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。本文发现液态金属与其他元素的负混合焓可以提供稳定的热力学条件，并作为理想的动态混合储层，从而实现在温和反应条件下合成具有多种金属元素的HEA-NPs。所涉及的元素具有广泛的原子半径（1.24-1.97 ?）和熔点（303-3，683 K）。我们还通过混合焓调节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，这证实了合金化过程中的动态裂变-聚变行为。

付磊（左一）与部分团队成员复盘实验过程。李思辉摄

《自然》审稿人感到“不可思议”

付磊的团队在2021年5月给《自然》杂志投稿后，很快就收到了反馈意见。3位审稿人对他们研究的高熵合金表现出了强烈的兴趣，其中两位审稿人甚至认为这种技术“不可思议”，要求投稿人进行更多的实验验证。

这并非毫无理由，付磊解释道，在将5种及以上主元金属组合成一种高熵合金时，需要解决一系列问题，例如原子不相容等。此时，科学家往往需要采取一些极端条件来保证不同金属的稳定性。

然而，这种方法在实际应用中受到了很大的限制。为了突破这个瓶颈，付磊的团队经过了漫长和艰难的探索，最终发现金属镓具有可以充当“黏结剂”的作用，它可以将不同的金属稳定地混合在一起，而不需要采取极端条件。通过这种方法，高熵合金的组分选择空间得到了极大的拓展，有望在结构力学、能源转换与存储、医疗器械等领域得到广泛应用。

付磊带领部分团队成员分析实验数据。受访者供图

不厌其烦地证明“我们说的是真的”

传统的高熵合金制备方法采用超高温反应或急速淬火等方式，通过克服原子间不混溶性以保持高熵态。但是，付磊团队发展出了一种独特的液态金属反应体系，不仅可以在温和的反应温度和缓慢的降温条件下实现多主元合金的合成，而且可以精确控制该过程。

这项研究耗时数年，经过多次实验证明，使用高熵合金的原子级精准制造技术，“能够定制科学家想要的合金”。虽然该论文曾经面临多次审核挑战，但研究团队仍然坚持下去。

最终，收到《自然》接收论文的邮件，团队成员感到欣喜万分。这一突破对他们来说是一大鼓励，同时也让我们看到了液态金属反应体系在高熵合金制备中的前景。

爱科学、爱生活的武大原子制造实验室团队。受访者供图

力不从心的背后往往蕴藏着契机

付磊曾在多个场合公开表示，“认识真理刹那的纯粹快乐”是促使他长期投身科研工作的最大动力。“在日常研究工作中，一旦看到有意思的或反常的现象，我往往会特别兴奋。”他告诉《中国科学报》。

在付磊团队深耕的液态金属反应体系中，就有一些奇妙的发现。

刚到武汉大学工作时，付磊致力于实现对二维原子晶体的原子级精准调控。

传统的固态金属催化剂表面存在着晶界、畴区等多种缺陷，会导致二维原子晶体的不均匀成核、生长。一开始，付磊带领团队试图尽最大可能减少这些缺陷，结果每一次探索都不尽如人意。

“选用一个‘满是缺陷’的表面——液态金属表面来实现二维原子晶体的生长会怎么样？”付磊选择了“反向思考”。

液态金属没有固定的晶格结构，其中的金属原子进行着热迁移，原子团簇间不断发生重组，就像人们看到的湖水一样，每一滴水在湖面上的位置都是动态但又无法区分的。

付磊团队正是利用了这样一个无序但均匀的表面，得到了“令人惊喜的发现”——在液态金属表面，二维原子晶体的生长遵循严格的自限制生长行为，可以有效地在层数、堆垛、晶格形变以及组装等方面对其实现原子级精准调控。于是，一种全新的、颠覆性的二维原子晶体原子制造技术问世了！

两年来“自证科学”的过程，让付磊深有感触：“科研道路上，自我怀疑和力不从心的尽头，往往就是新发现的契机和起点。”他热衷于把这些科研心得分享给求学者，也常常勉励团队成员始终保持那份用心做研究的耐心和韧劲，“行到水穷处，坐看云起时”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06082-9