高熵合金（HEA）纳米材料在催化、电池等领域具有相当大的潜在应用，传统方法中依赖快速冷却凝固合成HEA，但难以控制产物的结构与形态，湿化学法可以在较低温度合成且能调控粒径、形态等，却仅适用于热力学平衡下可混溶的元素组合，目前仍缺乏能突破这些限制的创新合成方法，需要开发出新策略以实现HEA更灵活、精准的合成。近日，一项发表在《Nature》正刊上的研究打破了这些限制，该研究提出了一种“等温凝固”策略，让高熵合金的合成进入低温、可控的新纪元。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09530-w

研究成果速览

该研究提出了一种“等温凝固”的新方法，由劳伦斯伯克利国家实验室等机构团队完成，是在25-80℃的温和条件下，通过“液-液界面反应”驱动高熵合金合成，关键在于用镓（Ga）基液态金属同时扮演“牺牲试剂”和“混合介质”，最终实现了三大突破：

一、从离子到合金精准转化，两步反应“冻结”高熵

Ga基液态金属与含金属离子的水溶液接触时，在界面发生定向还原反应，将金属离子转化为金属原子。生成的金属原子迅速溶解到Ga基液态金属中，随着Ga被不断被消耗和外来金属原子的持续融入，液态合金成分快速变化并进入“过冷状态”，最终在恒温下凝固，成功“锁住”高熵状态，形成高熵合金。

二、打破传统合成局限，实现对高熵合金全方位控制

该研究通过调整反应温度和金属盐浓度，可得到单晶、介晶、多晶甚至是非晶结构，如40℃-0.1M的条件下能生成高结晶度单晶，而80℃时可以形成多晶。该方法不仅能合成含Ga的高熵合金，还能让Ga完全消耗掉得到无Ga的产品。

另外，还可以融入包括本质不互溶的金属在内20种不同金属元素，且元素分布均匀无偏析。通过改变Ga基液态金属前驱体的球形、二维薄膜等形状，能制备出0维实心球和多孔球、2维多孔纳米片以及3维网络结构和分级“葡萄串”状等多种形态的高熵合金。

三、氢气泡隐形作用，揭秘合成的关键机制

反应中Ga与溶液里的H⁺反应生成H₂纳米气泡，这些气泡会带动液态金属内部循环流动，相当于充当了“隐形搅拌器”，大幅加速金属元素混合。同时，凝固过程中还存在“振荡凝固”，晶体结构在结晶态与非晶态间快速切换，这种动态过程能有效保留高熵状态，避免元素分离。

图文速览

低温等温凝固合成高熵体的基本原理

在60°C下通过原位液相透射电镜显示了HEA-NPs形成的等温凝固机制

合金化和结晶过程中的结构波动

不同结晶度和形貌的HEA-NPs的控制合成

等温凝固法合成成分、形貌和结晶度可控的HEA纳米材料的有效方法

END

该研究提出了一种等温凝固新策略，该方法以Ga基液态金属为介质，在25-80℃低温下通过液-液界面反应合成高熵合金（HEAs），能够精准调控HEAs的结晶度，可最多熔入20种元素和制备0-3维形态，突破了传统的合成局限，为HEAs应用奠定基础。