武汉大学《AM》：液态金属法合成破纪录铼纳米颗粒！强度67.8 GPa同时实现80%超高塑性
导语
难熔金属纳米材料如何在保持超高强度的同时避免脆性断裂，是材料领域长期存在的难题。武汉大学付磊、曾梦琪、刘泽团队在材料学顶刊 《Advanced Materials》 上发表突破性研究成果。团队开发了一种液态金属溶剂合成策略，成功制备出完美单晶铼纳米颗粒，其压缩强度高达67.8 GPa，创下金属材料最高记录，并在80%的极大应变下仍不破裂，实现了强度与塑性的卓越结合。该工作为极端环境用高性能金属材料的制备提供了全新范式。
🔍 研究亮点
性能破纪录：压缩强度达67.8 GPa，为已知金属材料最高值，同时展现80%不破裂应变的优异塑性。
方法创新：利用液态金属（镓）作为溶剂，通过“合金化—去合金化” 过程，在温和条件下实现铼纳米颗粒的可控生长。
结构完美：获得的纳米颗粒为无缺陷、高对称性的单晶结构，符合Wulff构造。
机理深刻：通过模拟揭示，高度对称的形貌是实现应力均匀分布和优异塑性的关键。
📊 图文解析
图1 合成机理：示意图清晰展示了在液态金属镓中，通过合金化形成ReGa₅中间相，再经去合金化促使铼原子重构，形成单晶纳米颗粒的完整过程。理论计算证实，该策略显著降低了铼原子的扩散能垒，为高质量单晶的形成提供了动力学基础。
图2 结构表征：XRD与STEM结果证实，所得纳米颗粒为纯六方密堆结构单晶铼。高分辨HAADF-STEM图像展现了清晰的原子排列，SAED图谱显示明锐的衍射斑点，EDS面扫描则表明铼元素分布均匀且表面纯净无氧化。
图3 力学性能：应力-应变曲线直接显示出67.8 GPa的惊人强度。Ashby对比图表明，其性能远超其他纳米金属。循环加载曲线与序列SEM图像共同证实，材料在80%超高应变下仍能保持结构完整，未发生断裂。
图4 变形机理：压缩50%后的STEM图像未见裂纹，iFFT分析观察到大量位错。分子动力学模拟对比发现，高度对称的Wulff结构能有效促进应力均匀分布，从而实现均匀塑性变形，而非对称结构则因应力集中导致早期失效。
⚙️ 技术支撑
本研究的成功实施依赖于以下核心技术与理论：
液态金属合成平台：利用镓的高溶解性和无氧环境，为实现温和条件下的晶体生长提供了独特反应介质。
碳热冲击技术：用于精确控制去合金化过程中的快速冷却，引导铼原子的自组装。
多尺度结构表征：结合XRD、SEM、STEM、SAED、EDS等多种手段，全面确认了产物的晶体结构、化学成分和微观形貌。
理论模拟与计算：通过分子动力学模拟和扩散能垒计算，从原子尺度揭示了合成动力学与卓越力学性能的结构起源。
💎 总结与展望
本研究通过创新的液态金属法，成功合成了兼具破纪录强度（67.8 GPa）与超大塑性（80%应变） 的单晶铼纳米颗粒，攻克了难熔金属材料"强则脆"的传统困境。该策略不仅为航空航天、核能系统等极端环境下的高性能金属材料制备开辟了新路径，也深化了对材料结构-性能内在关联的理解。未来，该液态金属平台有望拓展至更多高熵合金与复杂纳米结构的可控制备。
文献信息
作者：Yu Ding, Erli Ni, Jingrui Luo, Cai Lu, Ze Liu, Mengqi Zeng, Lei Fu
Liquid Metal Solvent Synthesis of Single‐Crystal Rhenium Nanoparticles with Ultrahigh Strength and Plasticity
Advanced Materials, 2025
DOI: 10.1002/adma.202505739