无机非晶微纳材料的基础科学问题

In recent decades, amorphous materials have attracted extensive attention for its long-range disorder structure and superior performance. However, the existing research work mainly concentrate on the bulk amorphous alloys and their mechanical properties, and the other advantages are unequally neglected. On the other hand, the studies of materials with micro-nano scales largely focus on crystal materials, and the amorphous materials have been rare involved. The combination of amorphous phase and micro-nano scales will greatly expand the application of amorphous materials. Thus, In this project, we will devote to explore the new approaches for preparing amorphous nanomaterials and comprehend their formation mechanisms, as well as characterize and investigate their electronic structure at the atom and molecule scales. Accordingly, their properties in mechanics, catalysis, electricity and magnetic will also be further studied. The successful implementation of this project will systematically develop several strategies for synthesizing amorphous nanomaterials and effectively promote the understanding of their fine-structure at atomic scale, providing powerful scientific and technological basis to enable their wide application in energy, environment and aerospace fields.

近几十年以来，非晶材料因其长程无序的内部结构与优异的特性而得到了广泛的关注并取得了可喜的发展。但，现有的非晶材料的研究主要集中在块体合金材料以及力学性能上，其它的优势未能得到充分体现。另一方面，微纳米尺度的大量研究主要集中在晶体材料，对微纳米非晶材料的研究还刚刚起步，非晶与微纳米的结合必将大大拓展其应用领域。本项目将结合微纳米材料与非晶材料两个领域，探索制备无机非晶微纳米材料的新途径，发展非晶材料在微纳米尺度的可控合成与构筑，理解无机非晶微纳米材料结构的形成机理，力求在原子和分子尺度的层次上对非晶微纳米结构的微观电子结构进行深入的表征和认识，研究其力学、催化、电学和磁学等特性。本项目的实施将系统性开辟非晶微纳米材料的制备工艺，提升对于非晶材料微观结构的理解，同时为推动非晶材料在能源、环境和航空航天领域等方面的应用奠定基础。

区别于原子排列规则的晶体材料，非晶材料是一类原子排列长程无序，短程有序的材料。非晶特殊的结构形式赋予了其特色的物理化学性质，特别是到了微纳米尺度，在很多领域（力学，储能，催化等）体现了独特的优势和广阔应用前景。然而由于其结构的复杂性，合成可控性差等原因，人们对非晶结构和应用的研究不足。基于以上挑战，我们以非晶结构为基础，探索了新型合成策略，实现了多维度非晶微纳米材料的可控合成，总结了多种非晶微纳米材料普适的合成方法。我们通过对氧化铝、氧化锆等传统陶瓷材料的非晶化创制，获得了一系列轻质、高强、髙韧、耐高温材料，解决了陶瓷材料强度和韧性相驳的问题；利用非晶结构在充放电过程中的柔韧性，将非晶的MoS3，MnO2等材料引入储能体系中，获得了优异的倍率性能和良好的循环稳；利用非晶结构在电催化过程中的结构灵活性，获得了一系列具有高催化活性、低过电位的电催化析氧非晶催化剂；同时非晶态材料的长程无序结构会导致表面悬挂键和能带结构中的带尾结构，这些会导致表面电子的能量处于亚稳态，从而促进表面电子的逸出和转移，使得非晶ZnO,TiO2等材料展示出高灵敏SERS活性。我们的这些工作不仅为非晶微纳米材料的可控制备方法学提供了借鉴，更对拓展非晶微纳米材料的应用起到了促进作用。