5月29日

華南理工前沿軟物質學院、電子顯微中心

黃哲昊教授與國外機構聯合研究成果

在Science發表

頁面截圖

該成果首次成功合成具有納米帶形貌的

一維高熵氧化物（1D-HEO）

其結構在超高溫度、高壓

及強酸強堿環境中依然保持穩定

同時具有優異的力學性能

遠超常規材料

結構穩定

在高溫（1000°C）、高壓（30 GPa）及強酸堿環境中展現出前所未有的結構穩定性。

力學性能優異

硬度達6.89 GPa，彈性恢復模量高達40 MJ/m3，遠超目前航空航天高溫合金。

本項研究歷時近五年完成

涵蓋了多個學科交叉的復雜研究環節

其中，最大的挑戰在于

如何準確解析這一成分復雜、

形貌特殊的一維高熵氧化物的晶體結構

為此

研究團隊使用三維電子衍射技術

在納米晶體結構解析中發揮了關鍵作用

不僅實現了單根納米帶的精確晶體結構解析

還揭示了擇優取向、生長面構型

及氧空位分布等關鍵微觀結構特征

闡明了其在不同溫度下的結構轉變特性

為理解該高熵材料的超高穩定性和相變機理

提供了理論支撐

本研究成果不僅在結構設計層面

開創性地實現了低維高熵材料的精準合成

還借助三維電子衍射技術

系統揭示了其微觀結構與穩定性機制

為高性能材料在極端環境下的應用奠定了基礎

未來，該類材料有望在

航天防護、腐蝕環境器件、

高強韌功能膜層等領域發揮重要作用

例如

延長航天器部件的服役壽命與安全性

或者保障電子器件

在超高溫高壓環境下持續運行

本論文通訊作者為華南理工大學前沿軟物質學院、電子顯微中心黃哲昊教授與伊利諾伊大學芝加哥分校Russell J. Hemley教授和Amin Salehi-Khojin教授。

該工作得到了廣東省高等學校能源與信息高分子材料基礎研究卓越中心、廣東省創新創業團隊、廣東省杰出青年項目及廣州市創新創業團隊引進項目等基金的大力支持。

這是前沿軟物質學院成立不到10年，學院教師發表的第5篇Science和Nature正刊論文，也是在今年不到半年的時間里，華南理工學者在Science和Nature上發表的第5篇正刊論文。

作者信息

黃哲昊，前沿軟物質學院教授、電子顯微中心初創成員，發光材料與器件全國重點實驗室、廣東省高等學校能源與信息高分子材料基礎研究卓越中心及廣東省功能與智能雜化材料與器件重點實驗室成員，博導。

長期聚焦于開發及運用先進電子顯微鏡方法從原子級研究功能材料的物理及化學性質；同時也專注于發展能夠發現新材料及獲取新化學知識的先進電子顯微方法。

共發表論文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。主持海外高層次人才、廣東省杰出青年等項目，獲國際晶體學聯合會青年科學家獎等榮譽。

因課題組發展需要，現招收透射電子顯微或多孔材料方向博士后1名、科研助理1名。

聯系方式：

zhehaohuang@scut.edu.cn

研究介紹

高熵材料因其獨特的多元組分與高結構無序性，在高溫、高壓、強腐蝕等極端條件下展現出優異性能，近年來受到廣泛關注。

然而，如何構筑具有明確低維結構、保持穩定單相、并具備高機械性能的高熵氧化物，仍面臨顯著挑戰。

本研究以具有六方晶系的多組分硫化物(MoWNbTaV)S?為前驅體，通過程序升溫氧化法合成1D-HEO納米帶。

圖1

(A) 二維硫化物前驅體的 SEM-EDS 譜圖

(B) 合成流程和溫度曲線示意圖

(C) 1D-HEO的 SEM-EDS 譜圖

(D - H) 不同溫度下 1D-HEO 的 SEM 圖像，顯示了 1D-HEO 在二維硫化物前驅體薄片上的晶粒形成和垂直生長

(I-K) 由附著能構建的 Wulff 構型模擬圖

(L) 1D-HEO側面和頂部的SEM圖像， 顯示了納米帶的形貌

(M) 室溫下合成的1D-HEO XRD圖

(N) 從二維硫化物前驅體到1D-HEO轉變過程中的原位XRD圖

掃描電鏡（圖1A–1H）和能譜分析確認其形貌演變與元素均勻性。X射線衍射（圖1M–1N）與Wulff構形模擬（圖1I–1K）揭示了形貌取向由附著能主導，形成沿特定晶面擇優生長的帶狀結構。

圖2

(A - C) SEM 圖像顯示不同溫度下的1D-HEO整體形貌

(D) 1D-HEO的AFM 圖像和尺寸測量圖

(E) TEM 圖像顯示樣品的整體形貌及晶面取向

(F) 沿 [101] 方向的 HAADF-STEM 圖像，與結構模型良好匹配

(G）重構的 1D-HEO 三維倒易空間

(H）沿 c 軸和 a 軸方向的 1D-HEO 結構模型

通過調節反應溫度與升溫速率，該研究實現了納米帶寬度在兩個數量級范圍內的可控合成，從60 nm至15 μm（圖2A–2C），為低維高熵結構的設計提供了有效手段。

本研究中，三維電子衍射（3DED）是揭示1D-HEO微觀結構的關鍵技術。通過3DED重建三維倒易晶格（圖2G），結合高分辨HAADF-STEM圖像（圖2F），研究首次明確1D-HEO為正交晶系（P2?2?2），并獲得其準確晶胞參數與生長方向。

更重要的是，3DED對氧空位分布、晶體取向及配位環境進行了深入解析，發現1D-HEO在700°C以下依然保持晶體有序，且僅有微小氧占位變化。這些信息難以通過傳統粉末XRD或其他體相手段獲得，3DED在低維、多組分體系中的結構解析能力在本研究中得到充分體現。

圖3

(A) 1D-HEO 樣品的 TGA 數據

(B) 高溫 XRD 數據

(C) 室溫和 700°C 下收集的電子衍射圖

(D) 在酸堿性介質下的穩定性

(E - F）1D-HEO與 IN718、Ti6AlV4 和 GPCop-84 的硬度與接觸深度關系以及回彈模量的比較

通過分析熱重（圖3A）與原位高溫XRD（圖3B），1D-HEO在1000°C下表現出極高熱穩定性，無明顯質量或結構變化。高溫3DED數據（圖3C）與常溫數據幾乎一致，驗證其原子級穩定性。

在5 mM H?SO?（pH = 2.3）和0.1 M NaOH（pH = 13）環境中浸泡7天后，XRD、XPS及SEM-EDS分析（圖3D）均未檢測到結構或組分變化，表現出優異的耐腐蝕性。

研究還通過ICP-MS確認溶液中金屬離子溶出濃度極低，進一步驗證其化學惰性。納米壓痕測試顯示，1D-HEO硬度高達6.89 GPa，遠高于典型航空航天高溫合金（IN718, Ti-6Al-4V, GRCop-84），彈性恢復模量達40 MJ/m3（圖3E–3F），約為GRCop-84的20倍。該性能歸因于其多組分混合離子-共價鍵結構，DFT計算也支持了這一結果。

圖4

(A) 300 K 氬氣介質中 1D-HEO 樣品的 XRD 譜獲得的 P-V 狀態方程

(B-C) 1D-HEO 在氬氣介質中的高壓原位 XRD

(D) 通過壓力傳遞介質的XRD獲得的P-V數據

(E) 經過單軸壓縮的應力淬火樣品顯示出由于單軸應力而導致的晶粒壓實的跡象

在30 GPa高壓下，1D-HEO表現出由正交相向立方相再至無定形態的轉變路徑（圖4A–4C），該過程伴隨體積突變與長程有序性的喪失，說明材料在壓縮中引入了新的結構熵貢獻，這是傳統高熵理論所未充分涉及的重要維度。在非靜水壓與單軸壓縮條件下，材料呈現不同相變路徑與光學透明度變化（圖4D–4E），表明1D-HEO在復雜應力場中仍保持高度可控的結構演化能力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adr5604

華南理工大學　學生記者團

信息來源：前沿軟物質學院、電子顯微中心

微信編輯：楊曉霓

初審：冀早早

二審：盧慶雷

終審：鄒浩

華工原創，版權所有

若需轉載，敬請聯絡

郵箱：hgxcb@scut.edu.cn

“分享”“點贊”“在看”，記得一鍵三連哦