具有高度對稱性的晶體和長程無序的非晶體 是固體材料的兩種典型結構。金屬的微觀結 構通常由晶粒和晶界組成。提高金屬性能的 方法一般是調控相組成以及晶體缺陷，例如 析出強化和位錯強化等典型金屬強化機制。 相比之下，金屬玻璃以其無定形結構和高強 度而聞名（例如，Co 基金屬玻璃的強度可達 6 GPa），但金屬玻璃在變形時常常表現出 變形軟化和應變局部化的特點，最終導致明 顯的室溫脆性。此外，金屬玻璃的各項性能 高度依賴于成分的選擇，並且缺乏明確的結 構單元（例如晶體的位錯）來調控其性能。 在該項研究中，我們提出將超納雙相納米結 構金屬（其結構單元的尺寸為 1~10 nm）作 為一種新的金屬材料家族。超納雙相金屬材 料的性能和力學行為與傳統的金屬材料和無 定形固體完全不同。目前，超納雙相金屬材 料的開發和應用面臨著幾個挑戰：1）亟需開 發一種高效、低成本磁控濺射的工藝，以製 備多種金屬（Pt、Pd、Ru、Mg、Al 等）的 超納雙相薄膜； 2) 揭示在超納尺度下兩種不 同組成相之間的交互作用以及對性能的調控 機制； 3) 拓展和開發超納雙相納米金屬材料 的應用範圍，應重點挖掘在一些具有高附加 值的電催化、微電子器件領域的應用潛力。
超納雙相納米結構化可實現結構材料的高強度和高韌性
超納雙相晶體非晶材料的製備依賴于合金成 分和磁控濺射工藝的精細設計。該類初始合 金應當具有臨界的玻璃形成能力從而避免形 成完全的非晶或晶體結構。在濺射過程中， 需要嚴格控制功率、溫度和氣壓等工藝參數 以調控超納尺度晶體的生長。超納雙相材料 由小於 10 納米的晶粒和非晶殼層構成。在變 形過程中，晶體相可以阻礙非晶相中剪切帶 的擴展從而抑制非晶的應變軟化行為；而非 晶殼層能夠阻礙晶粒的滑移和位錯的遷移， 避免反 Hall-Petch 效應的出現。因此，超納 雙相結構這種獨特的非晶 - 晶體協同效應可 以極大地改善材料的力學性能，使得這種材 料在室溫下具備近理想強度並解決尺寸效應 問題。
圖 1 NPMM 實驗室用於製備超納雙相納米材料的磁控濺射設備。
具有高催化特性的超納雙相納米結構催化劑
貴金屬催化劑具有優異的催化效率和產物選 擇性，廣泛用於基本的能量轉換反應，將大 氣中的水、二氧化碳和氮轉化為高價值的能 源產品（氫、碳氫化合物和氨）。然而，作 為下一代可持續能源系統核心的氫氣的大規 模工業生產受到鉑族貴金屬催化劑稀缺性和 高昂成本，以及複雜生產條件的制約。具有 大量相界面的超納雙相納米材料是傳統的析 氫反應（HER）催化劑的替代品，其具有產 業化潛力和出色的催化性能。
貴金屬基的超納雙相納米材料具有可控的相 組成和大量的相界面，這種獨特的納米結構 特徵可為催化反應提供豐富的活性位點從而 顯著地改善催化效率。二維片狀的超納雙相 納米催化劑可避免常規納米材料所出現的團 聚和奧斯維德熟化效應。非晶相的自穩定行 為也可進一步提高超納雙相納米催化劑的穩 定性。相比於常規的低維納米催化劑，這種 獨特的超納雙相結構可為高性能催化劑的設 計提供更多的結構調控自由度。我們計畫設 計不同的貴金屬含量、晶體取向和晶體非晶 比例以改善不同催化環境下的 HER 催化活性 並保持極高的電催化穩定性。
圖 2 超納雙相納米結構的示意圖。
參考文獻
1. Wu, G, Chan, K-C, Zhu, L, Sun, L & Lu, J 2017, 'Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys', Nature, vol. 545, pp. 80-83.
2. Jia, Z, Nomoto, K, Wang, Q, Kong, C, Sun, L, Zhang, L-C, Liang, S-X, Lu, J & Kruzic, JJ 2021, 'A Self-Supported High-Entropy Metallic Glass with a Nanosponge Architecture for Efficient Hydrogen Evolution under Alkaline and Acidic Conditions', Advanced Functional Materials, vol. 31, no. 38, 2101586.
3. Wu, G, Liu, C, Sun, L, Wang, Q, Sun, B, Han, B, Kai, J-J, Luan, J, Liu, CT, Cao, K, Lu, Y, Cheng, L & Lu, J 2019, 'Hierarchical nanostructured aluminum alloy with ultrahigh strength and large plasticity', Nature Communications, vol. 10, 5099.
4. Bu, Y, Bu, X, Lyu, F, Liu, G, Wu, G, Pan, L, Cheng, L, Ho, JC & Lu, J 2020, 'Full-Color Reflective Filters in a Large Area with a Wide-Band Tunable Absorber Deposited by One-Step Magnetron Sputtering', Advanced Optical Materials, vol. 8, no. 1, 1901626.
5. Sun, LG, Wu, G, Wang, Q & Lu, J 2020, 'Nanostructural metallic materials: Structures and mechanical properties', Materials Today, vol. 38, pp. 114-135.
6. Wu, G, Zhang, J, Liu, C, Wang, Q & Lu, J 2020, 'Ductility of an ultrastrong glass-crystal nano-dual-phase alloy in sub-micron', Scripta Materialia, vol. 183, pp. 17-21.
7. Liu, C, Liu, Y, Wang, Q, Liu, X, Bao, Y, Wu, G & Lu, J 2020, 'Nano-Dual-Phase Metallic Glass Film Enhances Strength and Ductility of a Gradient Nanograined Magnesium Alloy', Advanced Science, vol. 7, no. 19, 2001480.
8. Wu, G, Sun, L, Zhu, L, Liu, C, Wang, Q, Bao, Y & Lu, J 2020, 'Near-ideal strength and large compressive deformability of a nano-dual-phase glass-crystal alloy in sub-micron', Scripta Materialia, vol. 188, pp. 290-295.
9. Liu, C, Wang, Q, Han, B, Luan, J, Kai, J-J, Liu, C-T, Wu, G & Lu, J 2021, 'Second phase effect on corrosion of nanostructured Mg-Zn-Ca dualphase metallic glasses', Journal of Magnesium and Alloys, vol. 9, no. 5, pp. 1546-1555.