东北大学李松教授ACS Mater Lett：向极端条件迈进，创造新材料

论文题目：Far-From-Equilibrium Processing Opens Kinetic Paths for Engineering Novel Materials by Breaking Thermodynamic Limits

通讯作者：东北大学李松教授

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c01952

材料科学研究结构（structure）、制备（processing/synthesis）、性质（property）与效能（performance）之间的四面体关系，其中，制备将其它三项关键要素紧密联系起来。制备技术的创新不仅推动发现新材料，还扩展材料科学的研究边界，是现代材料发展的核心动力。无论是自下而上的化学合成，还是自上而下的处理过程，材料制备是原子系统向平衡态趋近的过程。由于制备条件的限制，传统材料制备通常在热力学近平衡的条件下进行，严重限制了新材料的发现速度。

正如习近平总书记在全国滚球体育 大会上讲话中所指出，“当前，新一轮滚球体育 革命和产业变革深入发展。科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界”。近年来，材料科学家将材料制备条件不断推向更加远离平衡的状态，在极端条件下制备新材料、考察结构演化新路径并获取非凡功能，创新了多种极端条件制备策略，包括超快合成、焦耳脉冲速热、碳热冲击、极端温度梯度和快速凝固等，突破热力学平衡对新颖材料结构的限制，获得了一大批与平衡态结构显著不同的结构和功能材料，代表了材料制备科学的新范式。

近日，东北大学材料学院与杭州电子滚球体育 大学、天津大学等单位合作，在ACS Materials Letters在线发表评述论文“Far-From-Equilibrium Processing Opens Kinetic Paths for Engineering Novel Materials by Breaking Thermodynamic Limits”，总结了近年来在材料远平衡（FFE）制备领域取得的进展，指出其共同特征是利用远平衡极端条件动力学捕获材料的非平衡结构，进而实现前所未有的材料功能或性质。以自由能在时空维度上的梯度为主要出发点，论文提供了在理解远平衡材料合成过程的统一观点和指导策略

1. FFE制备基本原理

远平衡现象在自然界和材料体系中普遍存在。著名物理学家普利高津甚至称：“远平衡乃有序之源”。在材料制备过程中，无论是前驱体到产物的转变还是相变过程，系统的自由能都受到温度、压力和电势等热力学参数的显著影响（如图1）。尽管热力学决定了材料的平衡态原子构型，但动力学过程主导了构型形成的路径。在非平衡条件下，系统自由能的降低驱动着成核、晶体生长等过程。

图1 材料结构演化过程的能量变化，显示了热力学产物与动力学控制产物之间的区别

如图1，系统最终会趋向于占据自由能势垒图中的局部或全局最小值，�