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天天快消息!在原子世界“組裝”新材料

2023-07-06 12:45:09 來(lái)源:青海羚網(wǎng)

核心閱讀

在武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授付磊看來(lái),科研最大的魅力就是能將不可能變?yōu)榭赡堋K麕ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于液態(tài)金屬體系,實(shí)現(xiàn)了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造,在電子信息、能源存儲(chǔ)等材料領(lǐng)域取得新突破。

兼具液態(tài)的可變形性和金屬的良導(dǎo)熱、導(dǎo)電性——聽起來(lái)科幻感十足的液態(tài)金屬,如今在科研中有了更廣闊的應(yīng)用。


【資料圖】

6月14日,《自然》雜志在線發(fā)表武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授付磊關(guān)于液態(tài)金屬的最新成果。該研究基于液態(tài)金屬體系,實(shí)現(xiàn)了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造。

另辟蹊徑,建立液態(tài)金屬生長(zhǎng)體系

什么是液態(tài)金屬?

“液態(tài)金屬?zèng)]有固定的晶格結(jié)構(gòu),原子團(tuán)簇間不斷發(fā)生著重組,就像我們?nèi)粘?吹降暮粯?,每一滴水在湖面上的位置都是?dòng)態(tài)、不可區(qū)分的。”付磊介紹。正是由于這些特性,液態(tài)金屬在材料原子制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。

傳統(tǒng)使用的固態(tài)金屬催化劑表面存在多種缺陷,會(huì)導(dǎo)致二維原子晶體的不均勻成核及生長(zhǎng)。降低催化劑表面的缺陷,是科學(xué)家努力的方向。付磊另辟蹊徑:“兵無(wú)常勢(shì),水無(wú)常形,不如選用一個(gè)‘滿是缺陷的表面’——液態(tài)金屬表面,來(lái)實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的均勻生長(zhǎng)?!?/p>

利用液態(tài)金屬表面層離、可變形性、可流動(dòng)性和體相多空位的特點(diǎn),付磊團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)精準(zhǔn)制造和組裝二維原子晶體。

成就的背后是20多年來(lái)的堅(jiān)持。

2001年,付磊從武漢大學(xué)畢業(yè),到中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位,開展碳納米管精準(zhǔn)合成的相關(guān)研究。2008年完成博士后研究,付磊加入北京大學(xué)著力實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的精準(zhǔn)合成,其間他發(fā)展了偏析生長(zhǎng)方法,實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)二維原子晶體的制備,提出二元合金策略,首次實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格單層二維原子晶體的生長(zhǎng)。

2012年,付磊回到母校,入職武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院,創(chuàng)建了原子制造實(shí)驗(yàn)室,組建團(tuán)隊(duì)致力于原子晶體的精準(zhǔn)合成。此后,他將液態(tài)金屬反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)二維原子晶體的原子制造定為科研目標(biāo)。

在付磊看來(lái),探索未知的樂趣與將未知變成現(xiàn)實(shí)的成就感,是科研的巨大動(dòng)力。在他眼中,各個(gè)化學(xué)元素都有“獨(dú)特的性格”。如何聚焦各元素的差異性、精準(zhǔn)組裝成特定的功能結(jié)構(gòu),創(chuàng)制出具有新效應(yīng)的新材料,是最讓他著迷的事情。

直面挑戰(zhàn),將不可能變?yōu)榭赡?/p>

經(jīng)過(guò)不斷探索,付磊團(tuán)隊(duì)取得新突破:基于液態(tài)金屬體系,實(shí)現(xiàn)了溫和條件下多種高熵合金體系的原子制造。他們的發(fā)現(xiàn),極大拓展了高熵合金的組分選擇空間,有望促進(jìn)其在更多關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。

高熵合金是一種由5種及以上主元金屬組成的新型合金,在極端條件下結(jié)構(gòu)力學(xué)、能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。但要讓這么多種金屬原子按照設(shè)計(jì)均勻混溶,需要克服元素之間性質(zhì)差異大、不相容等難題。

“就像四五個(gè)人,他們性格不同、喜好不一,要把他們變成一個(gè)高度融合、不離不散的共同體并不容易?!备独诿枋?,“目前科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)各種金屬的強(qiáng)行融合,得依賴苛刻的高溫反應(yīng)條件來(lái)克服原子間不混溶性,并通過(guò)淬火等方式保持高熵態(tài)?!?/p>

在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高熵合金的多組元原子均勻混溶是可規(guī)?;?、可定制化精準(zhǔn)制造的前提,這個(gè)目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性,而付磊團(tuán)隊(duì)最終做到了。付磊說(shuō):“科研最大的魅力就是能將不可能變?yōu)榭赡??!?/p>

不拘一格,鼓勵(lì)學(xué)生大膽探索

多年來(lái),付磊獲得過(guò)國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助、湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、“湖北省青年五四獎(jiǎng)?wù)隆钡葮s譽(yù)。付磊說(shuō):“中國(guó)有句古話——‘致廣大而盡精微’,我常常對(duì)學(xué)生們說(shuō),我們做科研也要在盡精微中致廣大,這個(gè)‘廣大’就是服務(wù)國(guó)家、服務(wù)社會(huì)?!?/p>

談及教學(xué),付磊堅(jiān)持既要培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性,鼓勵(lì)學(xué)生不拘一格地創(chuàng)造,又要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科研一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和敏感度。

付磊喜歡與學(xué)生探討課題。他常鼓勵(lì)學(xué)生要基于興趣去探索,“就像是在泳池里隨著靈感,自由游動(dòng),找到適合自己的科研方式。我會(huì)盡責(zé)地當(dāng)一個(gè)合適的‘水位計(jì)’,適時(shí)提醒水深水淺,幫學(xué)生把握好方向?!?/p>

對(duì)于學(xué)生提出的不同意見,付磊總是饒有興趣地與他們討論各種思路的走向,用科研積淀幫學(xué)生們梳理想法。在他那間小小的辦公室里,曾無(wú)數(shù)次傳出學(xué)生們爭(zhēng)辯課題的聲音?!按蠹蚁嗷ソ涣?、思想碰撞,共同推進(jìn)課題交叉融合?!辈┦垦芯可翳搓?yáng)說(shuō)。

“科研的道路布滿荊棘,日常的研究工作經(jīng)常與失敗相伴?!备独谔寡?,科研課題陷入僵局,甚至瀕臨放棄都是常有的事情,這個(gè)時(shí)候,他會(huì)和學(xué)生溝通,有時(shí)是新思路,有時(shí)是對(duì)課題的重新思考,有時(shí)是一些溫暖的鼓勵(lì),讓學(xué)生依然保持堅(jiān)持和專注,保有對(duì)科研的熱情與信心。

“剛到實(shí)驗(yàn)室的那段時(shí)間,我經(jīng)歷了很多次挫折,甚至一度想換課題方向。但付老師一直告訴我,做科研不要總想著‘趕時(shí)髦’,要能沉下心來(lái)認(rèn)真思考?!辈┦垦芯可壕Ьдf(shuō)。幾名博士研究生一直記得付老師鼓勵(lì)他們的話:失敗和等待都是一種蟄伏,為的是厚積薄發(fā)的時(shí)刻。

“我們要對(duì)知識(shí)有尊重,對(duì)學(xué)術(shù)有敬仰,對(duì)創(chuàng)新有追求,對(duì)使命有擔(dān)當(dāng),這是科研人的責(zé)任感和使命感?!备独谡f(shuō),希望和更多青年研究者在未知的道路上并肩前行。

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