“被打成碎片都能自動愈合、迅速恢復，戰(zhàn)斗力爆表”，在很多科幻大片中，液態(tài)金屬機器人是“戰(zhàn)神一樣的存在”。現(xiàn)實科研工作中，液態(tài)金屬也被越來越多地派上大用場。

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6月14日，《自然》在線發(fā)表了武漢大學化學與分子科學學院、原子制造實驗室教授付磊團隊關于液態(tài)金屬的最新成果。該研究用到一種特殊的液態(tài)金屬，實現(xiàn)了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造，刷新了傳統(tǒng)認知。

付磊（左一）與部分團隊成員復盤實驗過程。李思輝攝

《自然》審稿人感到“不可思議”

“投稿之后，《自然》很快就送審了。”付磊告訴《中國科學報》，2021年5月，他們給《自然》投稿，一個月左右就收到了反饋意見。3位審稿人均對這篇論文有濃厚興趣，其中兩位審稿人認為“這有些不可思議”，要求投稿人“再做更充分的實驗進行驗證”。

審稿人感到“不可思議”并非毫無道理。付磊介紹，他和團隊研究的高熵合金是由5種及以上主元金屬組成的新型合金，在極端條件下的結構力學、能源轉(zhuǎn)換與存儲、醫(yī)療器械等領域都具有廣闊的應用前景。但要把這么多種金屬組合成一種新的合金，需要解決包括原子不相容在內(nèi)的很多問題。

“就像有四五個人，他們秉性不同、喜好不一、口味有別，要把他們聚在一起變成一個高度融合、不離不散的共同體并不容易，一言不合就可能散伙。”付磊解釋說，以往在多種金屬構成的合金中，經(jīng)常出現(xiàn)彼此不相容的現(xiàn)象，為保證不同金屬混合的穩(wěn)定性，科學家往往需要設置一些先決條件。

比如，將實驗溫度升高至大約2000攝氏度，并以極其快速的降溫加以淬煉，得到較為穩(wěn)定的合金產(chǎn)物。

“這個時間非常短，眼睛都沒眨完就結束了。”付磊團隊認為，靠極端條件達到理想合金狀態(tài)有一定意義，但條件太過苛刻，在一些實際應用場景中會受到限制。能否擺脫“極端條件”，依然使5種以上金屬實現(xiàn)穩(wěn)定混合？

經(jīng)過細致的研究分析和孜孜探索，研究人員終于發(fā)現(xiàn)一種具有“黏結劑”作用的金屬——鎵。

“這種金屬放在手上會化作一攤‘水’，具有液體的特性。”付磊說，同時，經(jīng)大量實驗驗證，這種金屬與其他四五種金屬中的任何一種都能“非常完美地混合”。

通過金屬鎵的黏合，研究團隊終于找到了有效確保多種金屬穩(wěn)定合金化的秘訣。在這種液態(tài)金屬反應體系中，不需要設定苛刻的條件——在溫和條件下就可以實現(xiàn)高熵合金的多組元混溶，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在多種關鍵領域的應用。

付磊帶領部分團隊成員分析實驗數(shù)據(jù)。受訪者供圖

不厭其煩地證明“我們說的是真的”

相較于通過超高溫反應、急速淬火等方式克服原子間不混溶性從而保持高熵態(tài)的傳統(tǒng)思路，付磊團隊獨辟蹊徑，發(fā)展了液態(tài)金屬這一新型反應體系。

“這個成果其實兩年前就做出來了，之所以拖這么久才發(fā)表，主要是因為包括部分《自然》審稿人在內(nèi)的很多專家覺得‘不可思議’。”付磊表示，讓大家相信“只需加入親和性更好的金屬，就可以在溫和反應溫度、緩慢降溫條件下實現(xiàn)多主元合金的合成”，是一件相當不容易的事。

近兩年來，研究團隊最耗時耗力的工作之一，就是證明“我們說的是真的”。

溫和條件下實現(xiàn)高熵合金的合成是否真有可能？到底是一種假設，還是真能實現(xiàn)？在得到肯定回答和部分實驗數(shù)據(jù)后，《自然》的第二輪反饋要求研究團隊補充更全面的實驗；第三輪、第四輪反饋則要求研究團隊進行更深入的合成機制探究以及更嚴謹?shù)睦碚撚嬎恪?/p>

付磊團隊通過大量實驗證明，利用高熵合金的原子級精準制造技術，“能夠根據(jù)科學家想要的效果定制想要的合金”。為得到更多實驗數(shù)據(jù)佐證論文觀點，該團隊研究生、論文共同第一作者曹光輝甚至一度住進了實驗室，直至拿到理想的數(shù)據(jù)。

直到去年10月，這篇論文仍然未能過審，參與研究的學生一度萌生了“不如轉(zhuǎn)投其他發(fā)表難度較低的雜志”的想法。研究思路無誤、耗時好幾年、反復驗證多次，現(xiàn)在放棄實在太可惜了。面對學生的沮喪，付磊勸大家堅持下去，畢竟“質(zhì)疑的問題都解答得差不多了”。

“4月13日是我今年最開心的一天！”收到《自然》接收論文的郵件，團隊成員曾夢琪感覺“武漢的天更藍了”。她告訴《中國科學報》：“在我們原子制造實驗室里，一度只有付磊老師一個人帶著幾名研究生、本科生‘打怪’。一路走來，每個人都很不容易。頂刊論文的突破，對我們無疑是大大的鼓勵。”

該團隊研究生、論文共同第一作者梁晶晶得知這一消息也很激動，她連夜把這個好消息告訴了父母。“他們知道這是一件不太容易的事，也都跟著挺開心的。”

愛科學、愛生活的武大原子制造實驗室團隊。受訪者供圖

力不從心的背后往往蘊藏著契機

付磊曾在多個場合公開表示，“認識真理剎那的純粹快樂”是促使他長期投身科研工作的最大動力。“在日常研究工作中，一旦看到有意思的或反常的現(xiàn)象，我往往會特別興奮。”他告訴《中國科學報》。

在付磊團隊深耕的液態(tài)金屬反應體系中，就有一些奇妙的發(fā)現(xiàn)。

剛到武漢大學工作時，付磊致力于實現(xiàn)對二維原子晶體的原子級精準調(diào)控。

傳統(tǒng)的固態(tài)金屬催化劑表面存在著晶界、疇區(qū)等多種缺陷，會導致二維原子晶體的不均勻成核、生長。一開始，付磊帶領團隊試圖盡最大可能減少這些缺陷，結果每一次探索都不盡如人意。

“選用一個‘滿是缺陷’的表面——液態(tài)金屬表面來實現(xiàn)二維原子晶體的生長會怎么樣？”付磊選擇了“反向思考”。

液態(tài)金屬沒有固定的晶格結構，其中的金屬原子進行著熱遷移，原子團簇間不斷發(fā)生重組，就像人們看到的湖水一樣，每一滴水在湖面上的位置都是動態(tài)但又無法區(qū)分的。

付磊團隊正是利用了這樣一個無序但均勻的表面，得到了“令人驚喜的發(fā)現(xiàn)”——在液態(tài)金屬表面，二維原子晶體的生長遵循嚴格的自限制生長行為，可以有效地在層數(shù)、堆垛、晶格形變以及組裝等方面對其實現(xiàn)原子級精準調(diào)控。于是，一種全新的、顛覆性的二維原子晶體原子制造技術問世了！

兩年來“自證科學”的過程，讓付磊深有感觸：“科研道路上，自我懷疑和力不從心的盡頭，往往就是新發(fā)現(xiàn)的契機和起點。”他熱衷于把這些科研心得分享給求學者，也常常勉勵團隊成員始終保持那份用心做研究的耐心和韌勁，“行到水窮處，坐看云起時”。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06082-9

來源：中國科學報

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