5月18日，Nature封面報(bào)道了新加坡自由撰稿人XiaoZhi Lim的一篇題為《Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys》（混合金屬制造更強(qiáng)、更硬、更具延展性的合金），介紹了高熵合金的相關(guān)進(jìn)展。

    高熵合金概念由臺(tái)灣科學(xué)家葉均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多種主要元素，每種元素介于5%-35%之間。傳統(tǒng)金屬則是以一種元素為主，而高熵合金是多元素共同作用的結(jié)果。所以高熵合金是一種顛覆數(shù)千年以來的合金制備方法。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐輻照等等。

    但是，高熵合金的機(jī)理及其科學(xué)問題尚未得到很好的理解。目前的高熵合金體系也只是通過"雞尾酒"方法調(diào)配而成， 還沒有科學(xué)系統(tǒng)的選擇合金元素的理論。  制造合金的標(biāo)準(zhǔn)配方技術(shù)從遠(yuǎn)古鑄劍到制造現(xiàn)代制造發(fā)動(dòng)機(jī)引擎葉片一直在沿用，也就是將有用的金屬進(jìn)行一系列混合從而提升性能的方法工藝，例如在鐵中加碳制成鋼。

    咋眼一看，整個(gè)結(jié)構(gòu)看起來是一個(gè)摩天大樓模型。實(shí)際上這個(gè)像是在建造一個(gè)微型景觀的設(shè)備是位于Lowa的美國Ames國家實(shí)驗(yàn)室建造的。

    但Ames的設(shè)備正在制造高熵合金實(shí)驗(yàn)樣品，它由四個(gè)、五個(gè)，甚至更多的元素以嚴(yán)格的相同的比例混合而成。這種簡單的配方可以出產(chǎn)那些比傳統(tǒng)材料更輕、更強(qiáng)的合金，并且更耐腐蝕、耐輻照等等。最終，研究者們希望這個(gè)方法能夠出產(chǎn)與以往完全不同的磁性或電性能的合金，并形成新一代技術(shù)。

    Ames中的迷你摩天樓意味著另一種更系統(tǒng)化的方法。Ames的設(shè)備可在不到一個(gè)小時(shí)內(nèi)建造30個(gè)合金柱，每一個(gè)的原材料只有細(xì)微的差別，如此研究者們可以快速的測試合金的性能。

    Ames材料科學(xué)家Matthew Kramer正在主導(dǎo)一個(gè)研究：尋找可以抵御高溫和腐蝕的高熵合金，以幫助火電廠在高溫下更有效運(yùn)作。

    而協(xié)助他的團(tuán)隊(duì)的是Ames的理論學(xué)家Duane.在1995年，Johnson發(fā)明了一套運(yùn)算法則，在傳統(tǒng)合金制造出來之前預(yù)測性能。2015年，他擴(kuò)展了適用高熵合金的運(yùn)算法。Johnson的法則評(píng)定一個(gè)元素到何種程度就會(huì)被另一個(gè)吸引或者排斥，然后利用這個(gè)信息預(yù)測元素的混合是形成化合物、固溶體或兩者都有。如此讓Kramer的團(tuán)隊(duì)確定哪種合金值得一試，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給程序以修正，提高準(zhǔn)確性。

    Nature系列對(duì)高熵合金的解讀：

    帕特森空軍基地實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)家Daniel Miracle認(rèn)為""我們并不是在談?wù)撘环N材料，而是上升到如何混合元素的哲學(xué)。"去年，他和同事們估計(jì)過從一組26個(gè)元素中，抽取3、4、5、6種金屬元素等量混合，可得到大約313560種合金。更大的數(shù)量的合金可以擴(kuò)展元素的選擇得到。

    高熵合金的想法是1995年Jien-Wei Yeh提出來的。Yeh認(rèn)為，傳統(tǒng)合金的物理性能已經(jīng)得到了很好的研究，在原子層面上，純金屬有規(guī)律的晶體結(jié)構(gòu)，由理想原子一層堆一層堆出。有時(shí)，這些層相互之間很容易滑動(dòng)，表現(xiàn)到金屬就是非常軟而不能用。這就是純金僅僅只能用在珠寶上。但是金屬中添加了不同原子尺寸的元素之后，加入者隨機(jī)地阻止原子層，降低了滑動(dòng)趨勢，從而創(chuàng)造了更硬的合金。精確的混合物可以讓冶金學(xué)家調(diào)控諸如腐蝕性能或者熔點(diǎn)等等性能。

    但是Yeh同樣提示了潛在的復(fù)雜性。如果太多的元素加入進(jìn)去，原子相對(duì)于層而言不再隨機(jī)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成主要金屬原子，成為規(guī)律性排布，讓混合物變脆。

    因此，這給了他一個(gè)觀點(diǎn)，與其一種主要材料混合少量的一到兩個(gè)元素，為什么不用四到五個(gè)甚至更多的元素以相同的比例混合？不同的原子有大量的可能性排列，從而導(dǎo)致錯(cuò)亂，或者高熵，如此消除了任何形成規(guī)律性能晶體結(jié)構(gòu)的傾向。因?yàn)槊恳环N隨意的混合元素都是不同尺寸的，不太可能相互滑動(dòng)，從而創(chuàng)造出非常硬的材料。

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責(zé)任編輯：周婭

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