含有多種元素的復合材料在很多領域具有重要的套用價值，而控制各元素在材料中的分布，無論是對材料的整體結構還是性質都至關重要。
在研發宏觀尺度下的塊體材料時，研究者們一般可以利用相圖對材料結構、元素分布等進行設計。
當把材料的整體尺寸減小到奈米、亞奈米等微觀尺度時，宏觀相圖卻有可能不再適用。
例如有理論研究表明，不互溶的元素在 1-10 奈米尺寸的奈米顆粒內，元素間的不混溶間隙會逐漸減小甚至被消除。
但是在實驗層面，目前在領域內尚無系統全面的實驗證據來解答奈米材料的尺寸如何影響元素間的熱力學混溶行為。
由於對微觀尺度元素熱力學行為知識缺乏足夠了解，阻礙了學者們去更好地設計構築具有特定結構的多元奈米材料。
在這一研究背景下，復旦大學陳鵬程教授和合作者從眼見為實的實驗角度出發，設計了一款二元模型體系，探究了在不同組成不同尺寸的奈米顆粒中，不互溶元素的混溶性如何變化。
圖 | 陳鵬程（來源：陳鵬程）
透過此，他們系統性地揭示了不互溶元素在微觀尺度材料中的相容性轉變現象，同時結合理論模擬闡釋了引起元素相容性轉變的關鍵因素。
對於相關論文審稿人評價稱：「該工作將改變研究者們原本對於奈米尺度熱力學行為碎片式的認知。作者透過高品質的實驗數據首次向人們系統性展示了從宏觀到微觀，元素相容性的變化過程，對奈米材料在眾多領域的套用都具有重要意義。」
陳鵬程表示，該工作展示了在宏觀上不相容的元素在微觀尺度上其實也可能相容，由此為多元奈米材料的開發提供了新思路，極大拓寬了設計空間。
目前多元奈米材料已經被廣泛套用於高效催化、奈米光電器件等領域。該工作的發現將為學者們如何更好地設計多元奈米材料的結構，提供基礎理論依據和指導。
一些之前被認為有套用價值但由於不穩定而被忽視的材料，或許並不存在穩定性問題，這些多元奈米材料仍具有重要的研究意義。
據介紹，幾年前當陳鵬程的博士後生涯剛剛開始的時候，經過和導師的多次探討，敲定了要研究奈米顆粒中的元素相容性變化這一大方向。
由於他之前的工作一直聚焦於多元奈米材料，對這一方向有些基本了解。同時在閱讀相關文獻後，對可能遇到的挑戰也有了初步評估。
包括尋找適合研究的模型奈米顆粒體系，制備寬參數範圍內的奈米顆粒，表征不同元素在顆粒內的熱力學分布，以及對熱力學相行為的機理解釋等。
在確定大方向後，陳鵬程開始著手合成由不互溶元素構成的二元奈米顆粒。這期間對很多體系進行了篩選。
由於本次的研究物件是具有超小尺寸、而且由不相容元素組成的奈米顆粒，這兩個特性決定了這類奈米材料本身就不容易被合成，並且在表征方面，奈米顆粒也非常容易受到外界環境的影響。
在整個研究歷程中，該階段花了最多的時間，包括去最佳化不同組成、不同尺寸的模型奈米顆粒的合成，進行奈米顆粒的系統性電子顯微學表征，解析奈米顆粒的熱力學相行為和穩定性等。
關鍵性的實驗數據基本上在該階段的前期就已獲得，但後續花了很多時間把整個工作做得更系統和全面，以及在取得大部份實驗數據充分證實研究結論後，又花了近一年的時間對元素相容性轉變機理開展了理論層面的深入探索。
最終，相關論文以【不混溶元素在奈米尺度上完全混溶】（Complete miscibility ofimmiscible elements at the nanometre scale）為題發在 Nature Nanotechnology [1]， 陳鵬程 是第一作者，美國加州大學柏克萊分校 楊培東 教授擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
而如何去闡釋文獻中互相矛盾的觀點，以及和本次工作之間存在的沖突點，是陳鵬程遇到的難題之一。
在文獻報道中，很多理論層面的研究認為核殼結構是二元不互溶體系的最穩定構型，但是該結論其實和包括本次工作在內的很多實驗報道相沖突，理論研究和實驗研究的結果差異在領域內一直沒有被解決。
在經過近一年的理論模擬-討論-無法解釋，再模擬-再討論-還是無法解釋的反復死迴圈後，最終找出了理論研究中容易忽略、而實驗研究中又不可規避的一些關鍵因素。
透過對兩種研究範式的結論差異進行合理詮釋，也促進了學界對於微觀尺度元素熱力學行為的認知。
另據悉，多元奈米材料的一大研究難點是其龐大的參數空間，包括元素組合、元素比例、材料尺寸、晶體結構、合金分相等等，這就要求學者們必須建立起切實有效的高通量研究手段。
一方面從實驗角度入手，需要搭建高通量實驗平台，積累相應的關鍵數據集；另一方面，從理論研究角度切入，AI 將是非常好的助力手段。
基於現有數據集，AI 將協助研究者們加快材料的研發節奏。所以和很多其他實驗科學領域一樣，需要實驗研究和 AI 研究兩方面的深度結合，相輔相成，互相促進。
另據悉，在該團隊的前期研究中[2]，開創了多元奈米顆粒的資料庫式制備方法。該方法入選 2022 年 IUPAC 化學領域十大新興技術，開啟了系統性研究多元奈米體系的大門，受到了國際同行的廣泛關註和跟進。
目前在多元奈米材料領域，已經有很多工作關註如何制備新型材料套用於能源催化等領域。但是與此相對比，研究者們對微觀尺度多元素體系的熱力學行為卻理解得很少。
這就好比人們發現了一類具有很多有意義性質的新材料，卻對如何調控這類材料，這類材料的構效關系為何等等支撐起整個領域的底層知識架構體系缺乏理解。
在這項工作中，研究結果其實僅僅展現了微觀尺度多元體系基礎研究的冰山一角，還有廣闊的空間亟待我們去繼續挖掘和解答。
據介紹，陳鵬程個人對基礎研究特別感興趣，基於自己前期在微觀多元體系的研究積累，後續將繼續對該領域的基礎科學問題開展深入探索，夯實學界對該領域的基礎科學認知。
參考資料：
1.Chen, P. C., Gao, M., McCandler, C. A., Song, C., Jin, J., Yang, Y., ... & Yang, P. (2024). Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale. Nature Nanotechnology , 1-7.
2. Science ,2016,352,1565； Science ,2019,363,959
營運/排版：何晨龍
