0.8 纳米！中科大 + 安师大用激光 “快热快冷”，造出改写规则的亚纳米高熵合金 -山东化工网

0.8 纳米！中科大 + 安师大用激光 “快热快冷”，造出改写规则的亚纳米高熵合金

文章来源：贤集网更新时间：2025-10-27 15:21:39

2025年10月20日，一则重磅消息震撼了材料科学界：安徽师范大学联合中国科学技术大学科研团队，在温和条件下利用激光辐照技术，成功创制出亚纳米级高熵合金。

这项成果不仅登上了国际顶级材料期刊《自然·材料》（Nature Materials），更被业内专家称为继“原子抽提”之后，中国在“原子经济”领域又一次里程碑式的突破，为能源、军工、电子等多领域带来颠覆性变革。

一、高熵合金难题：传统制备的困境

要理解这项技术的革命性，先得搞清楚什么是高熵合金（High-Entropy Alloys,HEAs）。传统合金，比如不锈钢，通常是以一种金属为主（如铁），再掺入少量其他元素（如铬、镍）来改善性能。而高熵合金则完全不同：它由五种或更多金属元素以近似等比例混合而成，形成一种结构高度无序但性能极为优异的新型材料。

科研团队形象地比喻：“就像把性格迥异的十个人塞进同一间办公室，还要让他们高效协作。”如果组织不当，就会“各自为政”，导致材料内部出现相分离、团聚、结构不稳定等问题。这正是长期以来制约高熵合金发展的核心难题。

更难的是，要把这种复杂的多金属体系做到亚纳米级（<1纳米，约几个原子直径大小），几乎是对物理极限的挑战。传统方法需要上千摄氏度的高温熔炼，不仅能耗巨大，而且容易导致某些贵金属挥发或偏析，最终产物颗粒粗大、活性低、成本高。科研团队曾形象地比喻，这就像“煮一锅粥，火太大容易糊底，火太小又煮不熟”，必须找到那个“刚刚好”的火候。

二、激光“快热快冷”：中国团队的破局密钥

安徽师大与中科大团队没有走传统高温路线，而是另辟蹊径，用一束纳秒级脉冲激光，打开了通往亚纳米高熵合金的大门。他们的实验设计堪称“精妙”：将含有多种金属盐的溶液与金纳米颗粒混合，然后用纳秒级激光脉冲照射。

关键就在于金纳米颗粒的“等离激元光热效应”——当特定波长的激光打在金颗粒上时，其表面自由电子会发生集体振荡，瞬间释放出巨大的能量。这个过程带来了两大“超能力”：

1.超快升温：在纳秒（十亿分之一秒）内，金颗粒表面温度可飙升至2000℃以上，足以让所有金属前驱体瞬间熔融、活化。

2.超快冷却：激光脉冲结束后，热量迅速散失，降温速率高达每秒100亿摄氏度！如此极端的冷却速度，使得不同金属原子来不及“分家”，被迫“冻结”在均匀混合的状态中，形成稳定的高熵结构。

这种“快热快冷”的极端非平衡过程，完美绕开了传统热力学限制，实现了多种金属在原子尺度上的高度均质化。更令人惊叹的是，整个反应在常温常压下进行，无需复杂设备，能耗极低。

据论文数据显示，科研团队成功合成了包含金、铂、钌、铑、铱五种贵金属的亚纳米高熵合金，平均粒径仅为0.8纳米，接近单原子级别。更进一步，他们验证了该方法的普适性——最多可整合多达十种金属元素，为材料设计提供了前所未有的自由度。

三、“原子经济”新范式：资源利用的极致优化

这项技术之所以被称为“原子经济”的典范，核心在于它实现了资源利用效率的极致优化。所谓“原子经济”，最早由诺贝尔化学奖得主巴里·夏普莱斯提出，指的是在化学反应中，尽可能让反应物中的每一个原子都进入最终产物，减少浪费。而在材料科学中，“原子经济”意味着：用最少的原子，实现最高的性能输出。

以催化领域为例，目前全球每年消耗数万吨贵金属用于工业催化，尤其是铂、钯、铱等稀有金属，价格昂贵且储量有限。传统催化剂中，大量贵金属被“埋”在颗粒内部，真正参与反应的只是表面少数原子，利用率往往不足10%。

而此次合成的亚纳米高熵合金，由于尺寸极小、比表面积极大，几乎每个原子都能暴露在表面并参与催化反应。实验表明，在电解水产氢反应中，这种新材料的催化活性是商用铂碳催化剂的5倍以上，且稳定性极佳，连续工作100小时性能无衰减。

这意味着什么？同等催化效果下，贵金属用量可减少80%以上。按当前铂金约300元/克的价格计算，仅此一项技术，就可能为氢能产业每年节省数十亿元成本。

四、潜力与全球竞争：战略级突破

高熵合金因其高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀、抗辐照等特性，被视为下一代高端装备的核心材料。

而中国在这条赛道上已悄然领先。据国家知识产权局最新数据，截至2025年9月，中国在高熵合金领域的专利申请量已达3569件，位居全球第一，远超美国的500件。

此次亚纳米级高熵合金的突破，将进一步提升材料的轻量化、强韧化水平。例如，将其用于火箭发动机喷管或战斗部外壳，可在减轻重量的同时提高抗冲击能力。

回顾过去几十年，中国在高端材料领域长期受制于人：高端轴承钢依赖日本，航空钛合金受限欧美，光刻胶、碳纤维等“卡脖子”问题屡见报端。但近年来，随着国家对基础研究的持续投入，一批原创性成果接连涌现。从“原子制造”到“量子材料”，从“超导突破”到“高熵合金”，中国正逐步摆脱“模仿者”角色，成为全球新材料创新的重要策源地。

此次亚纳米高熵合金的诞生，不仅展示了中国在极端制造、原子尺度调控、多学科交叉方面的深厚积累，更意味着我们正在构建一条从基础研究到产业应用的完整创新链。

更重要的是，这项技术具备极强的可扩展性与产业化前景。在能源领域，亚纳米级高熵合金可替代传统铂基催化剂，大幅降低燃料电池成本；在环保领域，其高效催化性能可加速工业废气处理；甚至在医疗领域，含钆、镝等稀土元素的高熵合金正被探索用于癌症靶向治疗。

未来，随着这项技术的进一步产业化，我们或许将见证一个由“原子级精准制造”驱动的新时代。而中国，正站在这一浪潮的最前沿，引领着全球材料科学的发展方向。

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