具有高度对称性的晶体和长程无序的非晶体 是固体材料的两种典型结构。金属的微观结 构通常由晶粒和晶界组成。提高金属性能的 方法一般是调控相组成以及晶体缺陷，例如 析出强化和位错强化等典型金属强化机制。 相比之下，金属玻璃以其无定形结构和高强 度而闻名（例如，Co 基金属玻璃的强度可达 6 GPa），但金属玻璃在变形时常常表现出 变形软化和应变局部化的特点，最终导致明 显的室温脆性。此外，金属玻璃的各项性能 高度依赖于成分的选择，并且缺乏明确的结 构单元（例如晶体的位错）来调控其性能。 在该项研究中，我们提出将超纳双相纳米结 构金属（其结构单元的尺寸为 1~10 nm）作为一种新的金属材料家族。超纳双相金属材 料的性能和力学行为与传统的金属材料和无 定形固体完全不同。目前，超纳双相金属材 料的开发和应用面临着几个挑战：1）亟需开 发一种高效、低成本磁控溅射的工艺，以制 备多种金属（Pt、Pd、Ru、Mg、Al 等）的 超纳双相薄膜； 2) 揭示在超纳尺度下两种不 同组成相之间的交互作用以及对性能的调控 机制； 3) 拓展和开发超纳双相纳米金属材料 的应用范围，应重点挖掘在一些具有高附加 值的电催化、微电子器件领域的应用潜力。
超纳双相纳米结构化可实现结构材料的高强度和高韧性
超纳双相晶体非晶材料的制备依赖于合金成 分和磁控溅射工艺的精细设计。该类初始合 金应当具有临界的玻璃形成能力从而避免形 成完全的非晶或晶体结构。在溅射过程中， 需要严格控制功率、温度和气压等工艺参数 以调控超纳尺度晶体的生长。超纳双相材料 由小于 10 纳米的晶粒和非晶壳层构成。在变 形过程中，晶体相可以阻碍非晶相中剪切带 的扩展从而抑制非晶的应变软化行为；而非 晶壳层能够阻碍晶粒的滑移和位错的迁移， 避免反 Hall-Petch 效应的出现。因此，超纳 双相结构这种独特的非晶 - 晶体协同效应可 以极大地改善材料的力学性能，使得这种材 料在室温下具备近理想强度并解决尺寸效应 问题。
图 1 NPMM 实验室用于制备超纳双相纳米材料的磁控溅射设备。
具有高催化特性的超纳双相纳米结构催化剂
贵金属催化剂具有优异的催化效率和产物选择性，广泛用于基本的能量转换反应，将大气中的水、二氧化碳和氮转化为高价值的能源产品（氢、碳氢化合物和氨）。然而，作为下一代可持续能源系统核心的氢气的大规模工业生产受到铂族贵金属催化剂稀缺性和高昂成本，以及复杂生产条件的制约。具有大量相界面的超纳双相纳米材料是传统的析氢反应（HER）催化剂的替代品，其具有产业化潜力和出色的催化性能。
贵金属基的超纳双相纳米材料具有可控的相 组成和大量的相界面，这种独特的纳米结构 特征可为催化反应提供丰富的活性位点从而 显著地改善催化效率。二维片状的超纳双相 纳米催化剂可避免常规纳米材料所出现的团 聚和奥斯维德熟化效应。非晶相的自稳定行 为也可进一步提高超纳双相纳米催化剂的稳 定性。相比于常规的低维纳米催化剂，这种 独特的超纳双相结构可为高性能催化剂的设 计提供更多的结构调控自由度。我们计画设 计不同的贵金属含量、晶体取向和晶体非晶 比例以改善不同催化环境下的 HER 催化活性 并保持极高的电催化稳定性。
图 2 超纳双相纳米结构的示意图。
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