作為一種新型的合金材料，金屬玻璃（又稱非晶合金）自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)因其獨(dú)特的無(wú)序原子結(jié)構(gòu)排列和優(yōu)異的性能而受到了人們的廣泛關(guān)注。金屬玻璃相比較于傳統(tǒng)的合金材料具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高強(qiáng)度、大彈性、獨(dú)特的熱塑性能、優(yōu)異的耐磨性和催化性能等等。然而在金屬玻璃的眾多性能之中，其獨(dú)特?zé)崴苄阅軜O大地?cái)U(kuò)寬了其在科學(xué)以及工程領(lǐng)域上的應(yīng)用。金屬玻璃的熱塑性能是指當(dāng)金屬玻璃被加熱到特定的溫度區(qū)間時(shí)，它將從室溫表現(xiàn)的硬脆特性轉(zhuǎn)變?yōu)槌苄浴＠眠@一性能，金屬玻璃可以在該溫度區(qū)間進(jìn)行從原子尺度到宏觀尺度的跨尺度成型，還可以像膠水一樣對(duì)各種材料進(jìn)行粘接制備性能可調(diào)控的復(fù)合材料(Mater. Horiz. 8.6, (2021):1690-1699)。

近日，深圳大學(xué)研究人員利用該特性能在金屬玻璃的微納制造和光熱功能應(yīng)用上開(kāi)展了一系列工作。相關(guān)研究?jī)?nèi)容已發(fā)表于期刊Fundamental Research, SCIENCE CHINA Materials, Nano Energy和 Advanced Engineering Materials。

相關(guān)研究成果簡(jiǎn)介：

與以往通過(guò)調(diào)節(jié)元素配比來(lái)發(fā)現(xiàn)新型金屬材料的方式不同，原則上，金屬材料的尺寸處于微米或納米級(jí)時(shí)，其自身特性便上會(huì)發(fā)生明顯的變化。這也為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異性能的新型金屬材料帶來(lái)了靈感。各種不同形態(tài)的微納米金屬材料目前已經(jīng)在環(huán)境，催化，檢測(cè)和能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于金屬材料獨(dú)特的光學(xué)和機(jī)械性能，最近微納米金屬材料在光熱領(lǐng)域的貢獻(xiàn)尤為顯著。然而，如何利用宏觀金屬材料高效地制備特定尺寸的微納金屬材料仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在這一研究背景下，來(lái)自深圳大學(xué)的研究人員利用金屬玻璃獨(dú)特的熱塑性打破了這一窘境，利用這一性能他們?cè)谄浔砻嬷苽淞艘幌盗写竺娣e且跨尺度的功能性結(jié)構(gòu)如規(guī)則形狀的微米陣列，納米線以及微納米多孔。

首先，研究人員利用金屬玻璃的熱塑性能，以陽(yáng)極氧化鋁（AAO）為模板，在其表面制備了大面積精細(xì)排列的納米線陣列，納米線陣列的引入有效地降低了金屬玻璃表面的反射率，使其在一個(gè)較大的波段范圍內(nèi)表現(xiàn)低反射率的特性。基于納米線表面的優(yōu)異光學(xué)特性，使用不同波長(zhǎng)的激光照射在帶有納米線表面的金屬玻璃上時(shí)，納米表面均表現(xiàn)快速地光熱效應(yīng)。在特定的激光功率照射下，紅外熱成像儀記錄到納米表面的升溫速率是光滑金屬玻璃表面的30倍。同時(shí)，成型后的金屬玻璃仍保持非晶態(tài)的本征結(jié)構(gòu)可用于二次熱塑成型，并可以制備成各種復(fù)雜的形狀，實(shí)現(xiàn)柔性貼附于各種復(fù)雜表面，拓展了光熱表面的可應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Strong absorption in ultra-wide band by surface nano engineering of metallic glass”為題，近日發(fā)表在國(guó)家自然科學(xué)基金委主辦的高水平綜合性研究期刊Fundamental Research 。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822003831

圖一. 基于金屬玻璃的熱塑性能制備的具有吸光特性的納米陣列

視頻一.帶有納米線的金屬玻璃表面的光熱效應(yīng)

以AAO模板來(lái)制備的納米線結(jié)構(gòu)是一種單級(jí)的陣列結(jié)構(gòu)，且制備完成后需要放入腐蝕性液體（如氫氧化鈉溶液）中進(jìn)行模板的蝕刻，這使得工藝過(guò)程耗時(shí)、復(fù)雜。因此，如何開(kāi)發(fā)一種更簡(jiǎn)單、更綠色的方式來(lái)進(jìn)行金屬玻璃表面結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑對(duì)其在光熱、超疏水等功能應(yīng)用具有重要的意義。在此背景上，來(lái)自深圳大學(xué)的研究人員提出了“溶解制造”的概念并成功地制備了多孔和有序陣列結(jié)構(gòu)。得益于金屬玻璃在過(guò)冷液相區(qū)所具有的獨(dú)特?zé)崴艹尚湍芰Γ麄兪褂萌粘Ｉ钪谐Ｓ玫氖雏}作為熱塑成型時(shí)的模板，在熱塑成型后將金屬玻璃放置在水中溶解5 min便可以在其表面輕松制備多孔結(jié)構(gòu)。利用這一策略研究人員不僅在金屬玻璃表面上成功地制備了孔徑大小可以人為調(diào)整的無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)，而且還制備了形狀規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)。此外，該策略還顯示出優(yōu)異的重復(fù)構(gòu)造性能，在同一金屬玻璃表面上研究人員對(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次重復(fù)構(gòu)造。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Manufacture of porous metallic glass using dissolvable templates”為題，以封面文章的形式發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials 。

論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2191-9

圖二.金屬玻璃的溶解制造策略制備多孔結(jié)構(gòu)

視頻二. 溶解制造多孔金屬玻璃

太陽(yáng)能海水淡化是一項(xiàng)綠色技術(shù)致力于解決全世界的淡水緊缺危機(jī)。太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的核心部件是一個(gè)具有強(qiáng)烈太陽(yáng)光吸收的吸收器。理想的太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電系統(tǒng)不僅需要高效的光熱轉(zhuǎn)換性能而且需要具有優(yōu)異親水性能的結(jié)構(gòu)以便快速地輸送海水在其表面形成蒸汽，從而達(dá)到海水淡化的目的。基于“溶解制造”的概念，深圳大學(xué)的研究人員使用納米級(jí)的粉末作為熱塑成型的模板，在金屬玻璃表面熱塑成型了多級(jí)的納米多孔結(jié)構(gòu)。帶有多級(jí)的納米多孔結(jié)構(gòu)的表面在太陽(yáng)光譜內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的吸收性能，同時(shí)具備親水特性。基于這兩項(xiàng)多孔結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的特性，研究人員搭建了以該表面為核心的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)。在一個(gè)太陽(yáng)光的照射下，多級(jí)的納米多孔表面表現(xiàn)出的蒸發(fā)速率為1.72 kg m-2 h-1，蒸發(fā)效率高達(dá)94.2%。同時(shí)，該表面在污水處理中也表現(xiàn)出顯著的凈化特性。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Hierarchical porous metallic glass with strong broadband absorption and photothermal conversion performance for solar steam generation”為題，發(fā)表在國(guó)際知名的能源期刊Nano Energy 。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522010977

圖三.多級(jí)的納米多孔金屬玻璃用于高效的水蒸發(fā)

視頻三.多級(jí)的納米多孔金屬玻璃的水蒸發(fā)

基于在金屬玻璃納米工程及功能應(yīng)用方向的成果，受Advanced Engineering Materials期刊邀請(qǐng)，深圳大學(xué)的研究人員對(duì)帶有納米結(jié)構(gòu)的金屬玻璃的制備，功能和應(yīng)用相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。在該綜述中，他們不僅總結(jié)了目前用于制備帶有納米結(jié)構(gòu)的金屬玻璃的各類加工方式，而且對(duì)其功能應(yīng)用進(jìn)行了全面概述。最后，作者對(duì)制備帶有納米結(jié)構(gòu)的金屬玻璃的加工方式進(jìn)行了展望，同時(shí)也討論了其潛在的功能應(yīng)用前景。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Nanoengineering of Metallic Glasses”為題，發(fā)表于Advanced Engineering Materials 。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200659

圖四.帶有納米結(jié)構(gòu)的金屬玻璃的先進(jìn)加工方式及其功能應(yīng)用

深圳大學(xué)碩士研究生傅佳男為上述系列工作的第一作者，馬將教授為通訊作者。南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系的李真研究助理教授為上述系列進(jìn)展研究提供了大量寶貴意見(jiàn)。深圳大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的趙勁來(lái)博士為光熱測(cè)試提供了實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果討論。

以上研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2019B030302010）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703605）、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（52122105、51971150、51871157、12072344）等項(xiàng)目的資助。