美東時間3月29日下午，美國Science雜志刊登題為Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles的封面文章，報道馬里蘭大學胡良兵教授、麻省理工學院李巨教授、和約翰霍普金斯大學王超教授關于高熵合金納米顆粒的最新研究成果。Science同期刊登印第安納大學Sara Skrabalak教授撰寫的評述，Mashing up metals with carbothermal shock，對這一工作做出高度評價。

胡良兵教授及其合作者近年來在纖維素機械性能研究領域取得了一系列開創(chuàng)性的成果。在2015年，他們在PNAS上報道了一種制備同時具有高強度和高韌性的纖維素納米紙。而一個月前，他們又在Nature在線發(fā)表關于超級木頭的最新發(fā)現(xiàn)，通過一種簡單有效的方法，把原生木材直接處理成為一種超強超韌的高性能結(jié)構材料。在過去7年，胡良兵團隊一直致力于纖維素科技的研發(fā)，發(fā)明了一系列圍繞納米纖維素和木頭的高科技，包括超透明紙，海水淡化木頭，透明木頭，超白木頭，催化木頭，和最近的超級木頭。這一系列的技術正通過Inventwood LLC 公司產(chǎn)業(yè)化，胡良兵教授也因此被學界稱為木頭大王。而今天這個成果，也是通過碳化纖維載體實現(xiàn)的，真是將木頭玩出化境。

多元金屬納米顆粒在催化、儲能、和影像等諸多領域具有廣泛的應用前景，但傳統(tǒng)濕法合成很難得到三元以上的金屬納米顆粒。熔煉法可以得到五元以上機械性能優(yōu)異的塊體高熵合金，但卻非常難以納米化。胡良兵及其合作者發(fā)展了全新的兩步碳熱沖擊法(carbonthermal shock, CTS)，可以得到八元高熵合金納米顆粒，且具備優(yōu)異的催化性能，在很大程度上解決了這一問題。

圖一 A: 熱沖擊前后的碳纖維及其表面顆粒；B：熱沖擊示意及流程；C: 顆粒電鏡照片和元素分布；D:八元高熵合金納米顆粒元素分布。

CTS方法如圖一所示：首先將金屬前驅(qū)體鹽附著于氧化碳纖維之上，再經(jīng)過55毫秒、速率高達每秒10萬度的快速加熱至2000K再冷卻，得到尺寸與分布均勻的高熵合金納米顆粒，成分最多可以達到8種元素。

高熵合金指五種以上成分均一的合金，具有優(yōu)異的機械性能，經(jīng)新竹清華大學葉均蔚教授的開創(chuàng)性工作，成為當前材料科學研究的一大熱點。如圖二所示，因熱力學驅(qū)動，不同元素在傳統(tǒng)工藝下通常會形成相分離結(jié)構，熵值比較低。而高熵合金中不同元素均勻分布，不存在相分離，因此熵值較高，也帶來新穎性能。今天，胡良兵教授等運用CTS法，突破熱力學限制，成功制備了從一元到八元的一系列高熵合金納米顆粒，而且在室溫下保持11個月，結(jié)構穩(wěn)定。

圖二A: 傳統(tǒng)的相分離結(jié)構與高熵合金示意圖；B: 一元、二元、三元納米顆粒元素分布；C: 五元、六元、七元納米顆粒元素分布；D: 八元納米顆粒元素分布及其面心立方晶體結(jié)構。

研究人員推測，CTS下高熵合金納米顆粒形成機理與常規(guī)不同，取決于碳纖維表面缺陷和金屬催化活性。如圖三所示，他們發(fā)現(xiàn)，纖維碳化溫度越低，表面缺陷和氧殘存越高，則納米顆粒尺寸越小、越均一。而金屬催化活性越高，納米顆粒尺度也越小、越均一。因此他們提出如圖三C所示的機理示意圖，液態(tài)金屬顆粒尋找表面缺陷而分離，進而融合。顆粒尺度大小和分布因此受表面缺陷態(tài)所決定。

圖三A: 不同碳化溫度下纖維載體所得到的納米顆粒；B: 不同催化性能金屬納米顆粒；C: 催化驅(qū)動納米顆粒分離及融合機理示意；D: 增加碳纖維表面缺陷及金屬催化活性可提高納米顆粒尺寸均一。

基于這一機理，胡良兵及其合作者通過調(diào)控熱沖擊時間與速率，實現(xiàn)對納米顆粒尺寸、成分、和結(jié)構的調(diào)控。如圖四所示，熱沖擊時間越短、納米顆粒尺度越小、越均一。而當冷卻速率較低時，則會形成相分離結(jié)構。由此他們構造了如圖四E所示結(jié)構相圖。

圖四A：不同熱沖擊時間納米顆粒；B: 不同熱沖擊時間的納米顆粒尺寸分布；CD: 不同冷卻速率所造成的不同納米顆粒結(jié)構；E：納米顆粒結(jié)構相圖。

高熵合金納米顆粒具有一系列的應用前景。作為示例，研究團隊將五元高熵合金納米顆粒用于催化，如圖五所示，顯示其出優(yōu)異性能。

圖五A: 高熵合金納米顆粒及相分離納米顆粒催化示意和性能比較；BC: 五元合金納米顆粒催化性能比較；D: 五元高熵合金納米顆粒元素分布；E: 五元高熵合金納米顆粒催化性能。

Sara Skrabalak教授撰寫評述稱：

High-entropy alloys usually have a minimum of five elements in nearly equal proportions. Synthesis of these compositions is challenging and not typically compatible with methods that yield well-defined nanoparticles. Such integration would enable the nanoscale properties of these complex compositions to be studied and potentially leveraged in diverse applications.

胡良兵教授2002年從中國科大畢業(yè)，在UCLA獲得博士學位，曾師從斯坦福大學崔屹教授從事博士后研究，現(xiàn)為馬里蘭大學副教授。