主要观点总结
本文介绍了材料科学研究中的四面体关系，强调制备技术作为联系结构、加工、性质和效能的关键。材料制备的创新推动了新材料的发现及材料科学的研究边界扩展。文章中详细阐述了远平衡（FFE）制备的基本原理，指出了其利用远平衡极端条件动力学捕获材料的非平衡结构以实现前所未有的材料功能或性质的特点。文章还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，并讨论了温度调控和电化学调控在材料制备中的应用。最后，文章总结了远平衡方法代表了材料制备科学的范式转变，并指出了未来研究应关注精确控制FFE过程、电气化、合成材料的稳定性以及与AI驱动的材料设计等方面的挑战。
关键观点总结
关键观点1: 材料制备在现代材料科学发展中的核心地位
制备技术的创新不仅推动发现新材料，还扩展了材料科学的研究边界，将结构、加工、性质和效能紧密联系起来。
关键观点2: 远平衡（FFE）制备的基本原理和特点
通过远平衡极端条件动力学捕获材料的非平衡结构，实现前所未有的材料功能或性质。系统自由能的降低驱动成核、晶体生长等过程。
关键观点3: 温度和电势在创造远平衡环境中的作用
通过控制热力学条件，特别是温度和电势，将合成条件推向远平衡状态，进而调节系统自由能，捕获具有优异性能的非平衡态结构。
关键观点4: 远平衡制备和处理的策略
介绍了时间维度和空间维度的温度调控以及电化学调控在远平衡制备中的应用，并展示了相关实例。
关键观点5: 未来研究展望
作者指出未来研究应关注精确控制FFE过程、电气化、合成材料的稳定性以及与AI驱动的材料设计等方面的挑战。
正文
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。正如全国科技大会指出，“当前，新一轮科技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科技大学、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。1.1 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，分别对应于亚稳态和热力学稳定态。至少在材料功能使役的时间尺度上，这两种状态的成分和结构相对稳定，不会进一步演变。然而，在合成过程中，材料体系往往会经历一系列的亚稳态，最终获得何种结构的材料在很大程度上取决于动力学因素。通过控制热力学条件，研究人员将合成条件推向远平衡状态，通过动力学过程捕获具有优异性能的非平衡态结构，如高熵纳米材料和块体不固溶的纳米合金。2.FFE制备和处理的策略
2.1 时间维度的温度调控（∆T）
远平衡过程使材料处于偏离热力学平衡的条件下，从而为创造具有常规平衡方法无法实现的材料新特性提供了独特途径。在众多热力学参数中，温度是一个基本参数，它显著影响原子间的相互作用，决定了材料在不同温度范围内的稳定结构和组成。材料制备是一项关于平衡的艺术。传统的材料合成或加工中，精确控温至关重要。这是因为在时间尺度上，材料内部总是存在多个受温度控制的原子运动过程，材料最终所呈现的成分/结构正是这些过程所平衡的结果。远平衡制备方法在更短的时间尺度上、更宽范围内调控过程温度，可望解耦材料内部的子过程，使材料生长过程朝着希望的方向发生。无论是传统合金还是新型纳米材料，都大幅拓宽材料探索空间。如图2所示，利用温度实现远离平衡加工的关键在于在时间和/或空间维度上施加显著的温度梯度，从而实现自由能的陡峭梯度。遵循这一原则，人们成功开发了各种加工策略，如合金的超快热处理获得软硬双相组织、瞬热制备高熵合金纳米颗粒材料等。大多数材料加工技术通过辐射、对流或传导等方式使用外部能量将材料加热至高温。由于热源与加热区域之间的空间不匹配，在材料内部产生空间温度梯度。当温度梯度足够大时，会为材料的组成原子建立远平衡热力学环境，从而通过调控依赖过程（如原子扩散、晶粒生长和元素合金化）的相对动力学，促进形成非常规微观结构。图3展示了在结构材料以及功能材料领域中，操控温度梯度进行材料加工和制备的典型例子，包括增材制造和表面强化处理，以及通过在固液界面建立陡峭的温度梯度来制备结构化催化剂和高熵合金纳米粒子的方法。以传统铸造铝合金为例，受热转移过程限制，容易生长为粗大晶粒。东北大学秦高梧教授等人提出“双冷场”铸造技术，通过在热顶上部连续浸入与锭坯同成分的铝合金，耗散锭坯中心的凝固潜热，大幅减小了结晶器“外侧单一冷却”温度场不均匀性，诱导大量同成分的细小凝固核心，得到初生相细小、晶粒均匀的优质铝合金铸锭。电化学过程中，电极电势的作用类似于热激活过程中温度的作用，通过调节电极电势可以显著且快速地改变合成系统的热力学条件。更为重要的是，电极电势可以轻松产生电子系统在eV量级上的自由能变化（∆G），远大于室温下的热能（kBT，约26 meV），因此通过调节电极电势可以方便地创造远平衡的环境。图4展示了电化学过程在制备通过热化学方法难以获得的亚稳材料方面的能力，以及通过调节电极电位来创造FFE环境，从而合成具有均匀元素分布的高熵合金和固溶纳米合金。3. 总结展望
总结而言，传统的近平衡态材料处理技术限制了材料微观结构和性能的定制空间。远平衡（FFE）方法代表了材料制备科学的范式转变，它克服了材料生长动力学的热力学限制，开辟了新材料设计崭新空间。本评述论文聚焦通过温度和电势来创造FFE环境，进而调节系统自由能（ΔG）的原理和应用。特别值得关注的是极端电化学条件调节制备条件的重大潜力，弥补了仅通过热化学方法（ΔT）合成材料的不足。尽管进展显著，FFE合成和材料的研究仍处于早期阶段。众多科学和技术挑战需要关注和解决，作者建议关注精确控制FFE过程、FFE过程的电气化、FFE合成材料的稳定性以及与AI驱动的材料设计等方向。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c01952声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
