文章导读
当你试图让差异巨大的元素均匀融合时，晶格畸变带来的应变能总让它们瞬间崩溃。大多数人以为只能靠极端的急速冷却强行留住亚稳相，却忽略了尺寸本身就是一把调控钥匙。武大刘泽联合团队的最新发现颠覆了常识：把合金逼入20纳米的极小空间，原本剧烈排斥的Au和Si竟自动妥协，融合成常温下长期稳定的单晶相。这种尺寸限域效应究竟如何逆转热力学规则？掌握了这把普适性的纳米模塑密码，你还要在传统合金设计的老路上继续碰壁吗？
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（通讯员胡真真）4月10日，武汉大学土木建筑工程学院教授刘泽团队联合华中科技大学教授李宁、耶鲁大学教授Jan Schroers、清华大学教授徐志平团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了一维亚稳相制备及其调控机制方面的研究进展。论文题为“Size-Dependent Phase Selection during Thermomechanical Nanomolding”（《热机械纳米模塑过程中尺寸依赖的相选择》）。武汉大学土木建筑工程学院博士生吴玉鹏、潘洋洋和方卉为共同第一作者，刘泽、李宁与Jan Schroers为共同通讯作者。武汉大学为第一署名与通讯单位。
热力学稳定的材料是当前工业应用的主体，但从元素组合的潜力来看，元素周期表中可形成的亚稳相在数量上将远超人类已知范畴。刘泽等提出通过利用一维空间限域效应实现合金相态的选择性调控与制备。研究团队以共晶Au80Si20合金为模型体系，采用此前开发的纳米模塑技术制备了不同直径的合金纳米线。实验发现，随着纳米线直径的减小，AuSi合金依次呈现三种显著不同的相态结构：当直径较大（如300纳米）时，Si以纳米颗粒形式随机分布于Au基体中，形成“杂化”相；当直径减小至约80纳米时，转变为Au和Si交替排布的“竹节状”相；当直径继续降至约20纳米时，则形成Au、Si元素均匀分布且具有完美单晶结构的“均匀合金相”，且在常温下可长期稳定存在。
研究团队从热力学竞争的角度出发，建立了考虑混合焓、构型熵、应变能和界面能贡献的相态-能量图谱。结果表明，由于Au、Si原子在尺寸和化学键上的显著差异，其均匀化会引入剧烈的晶格畸变，从而导致极高的应变能，使得大尺寸下AuSi合金相在能量上极不稳定。但在纳米尺度下，高比表面积引起的小尺寸效应使得材料模量降低，显著削弱了应变能作用，使得Au、Si元素均匀分布的单晶合金相在热力学上趋于稳定。
该研究进一步证实，纳米模塑技术对其他亚稳合金相的制备均表现出良好的普适性。相较于当前主流的快速冷却与高熵设计策略，这种基于尺寸限域的制备方法简单高效，为实现功能导向的亚稳相材料精确设计与可控构筑，以及相应新型器件的开发提供了新途径。
研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目资助。
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