在材料科学的发展历程中，研究者们长期致力于通过成分调控（通过合金化调整元素种类与比例）和组织调控（通过热处理、形变等手段优化晶粒、析出相等微观组织）两大传统路径来优化材料性能。然而，随着对材料本质认识的深入，原子尺度的序与熵正逐渐被视为开发新材料、拓展性能边界的全新维度——材料的有序度与构型熵从根本上决定了电子结构、原子间相互作用乃至宏观力学响应，是联结微观原子世界与宏观工程性能的核心纽带。然而，如何在不依赖成分变化的前提下，对原子有序度实施直接、高效的调控，从而克服长期存在的强塑性倒置难题，始终是材料科学领域的重大挑战。

近期，松山湖材料实验室非晶材料团队创新性地提出了一种原子制造策略，首次在固定成分的ZrCuAl合金中实现了跨越多尺度与有序度程度的纳米结构精准定制（图1），成功突破强塑性协同极限。相关成果2026年2月16日以“Atomic manufacturing enables order modulation in nanostructured alloys for ultrahigh strength–ductility synergy”为题发表于国际学术期刊《Science Bulletin》上。

图1. 原子制造策略及通过调控参数获得的四种典型纳米结构：金属玻璃、Spinodal玻璃、双相纳米结构和晶态-玻璃复合材料

研究团队摒弃了传统熔炼快淬模式，转而采用脉冲激光沉积技术。高能激光轰击靶材产生的等离子体羽辉，充当了一个超高通量的“原子团簇库”。通过调控脉冲功率、脉冲频率以及沉积温度等参数实现对原子团簇的有序度、生长尺寸和空间分布的精准控制（图2），成功构建出包含14种微观构型的纳米结构图谱库，归纳为四大类型：①金属玻璃：原子尺度无序，屈服强度2.42 GPa；②Spinodal玻璃：两种互相纠缠的非晶纳米畴共存，屈服强度3.89 GPa，压缩应变高达69%，实现超高强度与大塑性变形能力的完美结合；③双相纳米结构：纳米晶均匀嵌入非晶基体，屈服强度3.23 GPa，总应变54%；④晶态-玻璃复合材料：大尺寸晶粒为主，非晶相分布于晶界，屈服强度2.15 GPa，总应变38%。这一结果有力证明了原子制造能够在不依赖成分变化的前提下，通过非平衡沉积过程突破热力学限制，解锁传统方法难以企及的广阔性能空间（图3）。

图2. 通过对原子团簇的有序度、有序团簇尺寸和团簇异质性的精准调控，从而实现不同纳米结构的构建

不同纳米结构因其独特的原子排列和界面特征，展现出迥异的变形机制，这也是原子制造策略实现宽域性能调控的内在根源（图3）。Spinodal结构之所以能实现超常均匀塑性，核心在于其密布的玻璃/玻璃界面在外力下成为剪切转变区形核和增殖的温床，这些转变区的随机激活有效避免了应力集中；随着变形进行，富铜和贫铜的非晶纳米畴之间发生动态原子混合，成分波动逐渐消失，从而实现了超69%的均匀塑性流变。双相纳米结构则依靠纳米晶粒作为物理屏障，持续拦截并偏转剪切带传播路径，迫使主剪切带不断分叉形成大量胚胎剪切带，通过多重能量耗散机制延缓断裂、提升塑性。

图3. 不同纳米结构的力学行为、性能统计及变形机制分析

这项研究不仅为开发高性能合金薄膜材料开辟了新路径，也为微机电系统、精密仪器、高性能涂层等对材料力学性能有严苛要求的应用领域提供了理想候选材料。更为深远的意义在于，这种原子尺度的“结构编程”方法突破了传统合金设计依赖成分调控的根本局限，为多相非晶合金、纳米结构金属及其他亚稳态材料的微观组织设计与性能优化提供了全新的普适性思路，为下一代高性能结构材料的原子级精准制造奠定了坚实的理论与实验基础。

本研究得到了松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所汪卫华研究员的悉心指导。松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所博士后赵航为论文的第一作者，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所柯海波研究员和汪卫华研究员为论文的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国博士后面上基金项目等项目的共同资助和支持。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.02.029

撰稿：非晶材料团队