导语
材料科学正面临一场范式革命。传统材料开发深受热力学平衡法则束缚，尤其“休姆-罗瑟里规则”如同铁律，限制了绝大多数元素组合的可能，使得新材料探索如同在狭窄通道中摸索。今日，由劳伦斯伯克利国家实验室与纽约州立大学布法罗分校刘硕、敦超超等学者在《Advanced Science》上发表的权威综述指出，突破之路在于 “非平衡合成” 。通过闪蒸焦耳加热、激光烧蚀、火焰喷雾热解等超快技术，以最高可达10^14 K/s的极端升降温速率，能在毫秒乃至更短时间内，强行将数十种不相容的元素“冻结”在单一相中，创造出传统无法想象的高熵与亚稳态纳米材料。这篇综述不仅系统绘制了非平衡合成的“技术全景图”，更将其与人工智能、高通量实验深度融合，勾勒出材料研究从“经验发现”迈向“理性设计与精准定制”的未来蓝图。
🔍 核心亮点
打破世纪枷锁：明确指出现代合成科学已能系统性地规避传统热力学平衡限制，为探索近乎无限的材料组成空间提供了理论与技术基础。
绘制技术全景：首次系统性地比较了近十种前沿非平衡合成方法（如闪蒸焦耳加热、激光烧蚀、机械化学合成等）的原理、特性与适用场景，是领域内一份全面的“工具手册”。
统一核心机制：阐释了所有非平衡技术的共同内核—— “超快加热实现原子级混合，急速淬火捕获亚稳态” 的动力学“快速冷冻”策略，并提供了清晰的物理图像与理论模型。
指明未来范式：前瞻性地提出，非平衡合成作为高效的材料创制平台，与高通量自动化、人工智能（AI/ML） 结合，将构成“计算设计-自动合成-智能优化”的闭环研发新范式，极大加速新材料发现进程。
📊 图文精解
图1 & 图2：热力学限制与熵稳定原理
开篇通过NiO-MgO（可混溶）与NiO-Al₂O₃（不混溶）体系的鲜明对比，直观揭示了传统合成中元素性质差异导致的必然相分离，点明了材料创新的根本瓶颈。进而，从吉布斯自由能模型出发，阐述了“高熵”如何作为一种全新的稳定策略：通过增加组元数提升构型熵，可以抵消元素间的排斥力（正混合焓），从而在热力学上驱动单一固溶体的形成，为高熵材料奠定了理论基础。
图3：非平衡合成的动力学“快速冷冻”机制
这是理解全文的核心示意图。它生动地将非平衡合成类比为“快速冷冻”过程：超快加热（如脉冲激光、电流）使体系瞬时跨越能量壁垒，达到原子可自由移动的激发态；紧接着的极速淬火，在原子来不及扩散分离前，便将其混合状态“冻结”捕获，形成亚稳态。分子动力学模拟从原子尺度展示了此过程中化学键的断裂与重构，清晰揭示了与传统缓慢退火（趋向全局能量最低）截然不同的路径。
图5：闪蒸焦耳加热——颠覆性的通用平台
示意图展示了该技术如何通过毫秒级电脉冲实现瞬时超高温（>3000 K）与冷却。其关键在于独特的 “液滴分裂-融合”动态合金化机制：前驱体在极端条件下熔化、飞溅并重新合并，实现原子级均匀混合。该方法已成功用于合成从二元到十五元的高熵合金及多种高熵陶瓷，展示了其强大的普适性和探索复杂组成的能力。
图6：火焰喷雾热解——面向规模化的高速通道
作为最具产业化潜力的连续气相工艺，其流程示意图显示了前驱体溶液经雾化后，在高速火焰中经历微秒级的热解与反应。凭借~10⁶ K/s的加热速率，通过“气-粒”与“滴-粒”路径，可高效合成高熵合金、氧化物，甚至组元数高达25的高熵萤石氧化物，突出了其在高通量、规模化制备方面的独特优势。
图8：激光烧蚀——追求极致的飞秒级操控
该技术利用高强度脉冲激光产生瞬态等离子体羽辉，其温度场模拟显示冷却速率可超过10¹² K/s，是地球上最快的淬火过程之一。这种“光热蒸发”机制可在液相中精准合成成分纯净的高熵合金纳米颗粒库，为基础研究和高通量筛选提供了理想模型体系。
图11：机械化学合成——“绿色暴力”的固相之路
示意图揭示了高能球磨的非平衡本质：机械碰撞在局部产生瞬时超高温（>1000 K）的“热点”，驱动固态扩散与反应。这种 “自上而下”的固相法无需溶剂与熔融，能直接公斤级制备高熵钙钛矿、单原子催化剂等，在成本与规模化方面具有不可替代的价值。
图7, 9, 10 等：多元化的技术工具箱
综述还深入探讨了放电等离子体合成（适用于高熔点碳/氮化物）、微波加热（选择性加热，适于构建载体材料）、喷雾干燥（微反应器，可控制备特殊形貌）等多种技术，共同构成了一个丰富、互补的非平衡合成工具箱，满足不同材料体系与应用场景的需求。
💎 总结与展望
本综述系统性地论证，非平衡合成已从一组新兴技术，演变为一种能够重新定义材料组成边界的全新研究范式。它通过超快的动力学过程，将材料科学的探索范围从热力学稳定的“孤岛”，拓展至广阔的亚稳态“新大陆”。
展望未来，发展将聚焦于三大方向的深度融合：
与高通量自动化融合：将非平衡合成平台自动化，实现成分、工艺参数的快速扫描，极大加速新材料“采矿”速度。
与人工智能/机器学习融合：利用非平衡合成产生的海量独特数据训练AI模型，构建“AI预测-自动合成-数据反馈”的智能研发闭环，实现材料的理性设计。
推动规模化与产业化：针对不同技术（如火焰喷雾热解的连续生产、机械化学合成的批量制备）开发工程化路径，推动这些变革性材料走向实际应用。
总而言之，这场由非平衡合成引领的范式变革，正将材料科学从依赖自然馈赠的“发现时代”，带入一个能够主动设计与创造物质的 “定制时代” ，为能源、环境、信息等关键领域的突破性发展注入核心驱动力。
文献信息
Shuo Liu, Chaochao Dun, Jeffrey J. Urban, Mark T. Swihart, et al. Non-Equilibrium Synthesis Methods to Create Metastable and High-Entropy Nanomaterials. Adv. Sci. 2026.
https://doi.org/10.1002/advs.202521953
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