Science联合刊文！实验室固定成员合成“超硬核”材料

5月29日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室、前沿软物质学院、电子显微中心，黄哲昊教授与国外机构联合研究成果在Science发表。

该成果首次成功合成具有纳米带形貌的一维高熵氧化物（1D-HEO），其结构在超高温（1000°C）、高压（30 GPa）及强酸碱环境中展现出前所未有的结构稳定性。 ，同时具有优异的力学性能：硬度达6.89 GPa，弹性恢复模量高达40 MJ/m³，远超目前航空航天高温合金。

本项研究历时近五年完成，涵盖了多个学科交叉的复杂研究环节。其中，最大的挑战在于如何准确解析这一成分复杂、形貌特殊的一维高熵氧化物的晶体结构。

为此，研究团队使用三维电子衍射技术，在纳米晶体结构解析中发挥了关键作用，不仅实现了单根纳米带的精确晶体结构解析，还揭示了择优取向、生长面构型及氧空位分布等关键微观结构特征，阐明了其在不同温度下的结构转变特性，为理解该高熵材料的超高稳定性和相变机理，提供了理论支撑。

本研究成果不仅在结构设计层面，开创性地实现了低维高熵材料的精准合成，还借助三维电子衍射技术，系统揭示了其微观结构与稳定性机制，为高性能材料在极端环境下的应用奠定了基础。

未来，该类材料有望在航天防护、腐蚀环境器件、高强韧功能膜层等领域发挥重要作用例如延长航天器部件的服役寿命与安全性或者保障电子器件在超高温高压环境下持续运行。

本论文通讯作者为华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室固定成员、前沿软物质学院、电子显微中心黄哲昊教授与伊利诺伊大学芝加哥分校Russell J. Hemley教授和Amin Salehi-Khojin教授。

该工作得到了广东省高等学校能源与信息高分子材料基础研究卓越中心、广东省创新创业团队、广东省杰出青年项目及广州市创新创业团队引进项目等基金的大力支持。

作者信息

    黄哲昊，发光材料与器件全国重点实验室固定成员、前沿软物质学院教授、电子显微中心初创成员， 广东省高等学校能源与信息高分子材料基础研究卓越中心及广东省功能与智能杂化材料与器件重点实验室成员，博导。

长期聚焦于开发及运用先进电子显微镜方法从原子级研究功能材料的物理及化学性质；同时也专注于发展能够发现新材料及获取新化学知识的先进电子显微方法。

共发表论文90余篇，近5年代表作包括Science 1篇、Nat. Mater. 1篇、Nat. Protoc. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 10篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3篇、Nat. Commun. 2篇。主持海外高层次人才、广东省杰出青年等项目，获国际晶体学联合会青年科学家奖等荣誉。

因课题组发展需要，现招收透射电子显微或多孔材料方向博士后1名、科研助理1名。

联系方式：zhehaohuang@scut.edu.cn

研究介绍：

高熵材料因其独特的多元组分与高结构无序性，在高温、高压、强腐蚀等极端条件下展现出优异性能，近年来受到广泛关注。

然而，如何构筑具有明确低维结构、保持稳定单相、并具备高机械性能的高熵氧化物，仍面临显著挑战。

本研究以具有六方晶系的多组分硫化物(MoWNbTaV)S₂为前驱体，通过程序升温氧化法合成1D-HEO纳米带。

图1.(A) 二维硫化物前驱体的 SEM-EDS 谱图

(B) 合成流程和温度曲线示意图

(C) 1D-HEO的 SEM-EDS 谱图

(D - H) 不同温度下 1D-HEO 的SEM 图像，显示了 1D-HEO 在二维硫化物前驱体薄片上的晶粒形成和垂直生长

(I-K) 由附着能构建的 Wulff 构型模拟图

(L) 1D-HEO侧面和顶部的SEM图像， 显示了纳米带的形貌

(M) 室温下合成的1D-HEO XRD图

(N) 从二维硫化物前驱体到1D-HEO转变过程中的原位XRD图

扫描电镜（图1A–1H）和能谱分析确认其形貌演变与元素均匀性。X射线衍射（图1M–1N）与Wulff构形模拟（图1I–1K）揭示了形貌取向由附着能主导，形成沿特定晶面择优生长的带状结构。

图2.(A - C) SEM 图像显示不同温度下的1D-HEO整体形貌(D) 1D-HEO的AFM 图像和尺寸测量图(E) TEM 图像显示样品的整体形貌及晶面取向(F) 沿 [101] 方向的 HAADF-STEM图像，与结构模型良好匹配(G）重构的 1D-HEO 三维倒易空间(H）沿 c 轴和 a 轴方向的 1D-HEO 结构模型

通过调节反应温度与升温速率，该研究实现了纳米带宽度在两个数量级范围内的可控合成，从60 nm至15 μm（图2A–2C），为低维高熵结构的设计提供了有效手段。

本研究中，三维电子衍射（3DED）是揭示1D-HEO微观结构的关键技术。通过3DED重建三维倒易晶格（图2G），结合高分辨HAADF-STEM图像（图2F），研究首次明确1D-HEO为正交晶系（P2₁2₁2），并获得其准确晶胞参数与生长方向。

更重要的是，3DED对氧空位分布、晶体取向及配位环境进行了深入解析，发现1D-HEO在700°C以下依然保持晶体有序，且仅有微小氧占位变化。这些信息难以通过传统粉末XRD或其他体相手段获得，3DED在低维、多组分体系中的结构解析能力在本研究中得到充分体现。

图3.(A) 1D-HEO 样品的 TGA 数据(B) 高温XRD 数据(C) 室温和 700°C 下收集的电子衍射图(D)在酸碱性介质下的稳定性(E - F）1D-HEO与 IN718、Ti6AlV4 和GPCop-84 的硬度与接触深度关系以及回弹模量的比较

通过分析热重（图3A）与原位高温XRD（图3B），1D-HEO在1000°C下表现出极高热稳定性，无明显质量或结构变化。高温3DED数据（图3C）与常温数据几乎一致，验证其原子级稳定性。

在5 mM H₂SO₄（pH = 2.3）和0.1 M NaOH（pH = 13）环境中浸泡7天后，XRD、XPS及SEM-EDS分析（图3D）均未检测到结构或组分变化，表现出优异的耐腐蚀性。

研究还通过ICP-MS确认溶液中金属离子溶出浓度极低，进一步验证其化学惰性。纳米压痕测试显示，1D-HEO硬度高达6.89 GPa，远高于典型航空航天高温合金（IN718, Ti-6Al-4V, GRCop-84），弹性恢复模量达40 MJ/m³（图3E–3F），约为GRCop-84的20倍。该性能归因于其多组分混合离子-共价键结构，DFT计算也支持了这一结果。

图4.(A) 300K 氩气介质中 1D-HEO 样品的 XRD 谱获得的P-V 状态方程(B-C) 1D-HEO 在氩气介质中的高压原位 XRD(D) 通过压力传递介质的XRD获得的P-V数据(E) 经过单轴压缩的应力淬火样品显示出由于单轴应力而导致的晶粒压实的迹象

在30 GPa高压下，1D-HEO表现出由正交相向立方相再至无定形态的转变路径（图4A–4C），该过程伴随体积突变与长程有序性的丧失，说明材料在压缩中引入了新的结构熵贡献，这是传统高熵理论所未充分涉及的重要维度。在非静水压与单轴压缩条件下，材料呈现不同相变路径与光学透明度变化（图4D–4E），表明1D-HEO在复杂应力场中仍保持高度可控的结构演化能力。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adr5604