加州大學洛杉磯分校在合金研究領域取得了新突破，首次提出了中熵合金和高熵合金的三維製圖，這些材料具有更強的柔韌性，有可能為該領域帶來革命性的變化。合金是由兩種或兩種以上金屬元素組合而成的材料，如鋼，是當代生活的基礎之一。它們是建築、交通、電器和工具的基本材料，很可能包括您閱讀本篇報導時正在使用的設備。

在應用合金的過程中，工程師面臨著大多數材料中常見的一個古老的權衡問題： 硬度高的合金在應力作用下容易脆斷，而應力作用下彈性好的合金則容易凹陷。

大約20 年前，研究人員首次開發出中熵和高熵合金，這種穩定的材料兼具硬度和柔韌性，而傳統合金則不具備這種特性。(名稱中的”熵”表示合金中元素混合物的無序程度）。

現在，由加州大學洛杉磯分校領導的研究小組提供了一個前所未有的視角，來觀察中熵合金和高熵合金的結構和特性。研究團隊利用先進的成像技術，首次繪製了此類合金的三維原子座標圖。在任何材料的另一項科學創舉中，研究人員將元素混合物與結構缺陷聯繫起來。

高熵合金奈米粒子的原子圖譜，紅色、藍色和綠色顯示不同類別的元素，黃色顯示孿晶邊界。資料來源：Miao 實驗室/加州大學洛杉磯分校

通訊作者、加州大學洛杉磯分校學院物理學教授、加州奈米系統研究所成員苗建偉（John Miao）說：”中熵和高熵合金以前曾以二維投影的方式在原子尺度上成像，但這項研究是首次直接觀察到它們的三維原子秩序。我們發現了一個新的’旋鈕’，它可以提高合金的韌性和柔韌性。”

中熵合金以大致相等的數量結合了三種或四種金屬；高熵合金則以相同的方式結合了五種或更多種金屬。相較之下，傳統合金主要是一種金屬與其他金屬以較低比例混合而成。(例如，不銹鋼的四分之三或更多成分是鐵）。

要理解科學家的發現，可以想像鐵匠鍛造寶劍的情景。鐵匠的鍛造工作遵循一個反直覺的事實，即微小的結構缺陷實際上會使金屬和合金變得更加堅硬。當鐵匠反覆加熱柔軟而有彈性的金屬棒直至其發光，然後將其放入水中淬火時，結構缺陷就會逐漸累積，從而幫助將金屬棒變成一把堅硬無比的寶劍。

苗和他的同事重點研究了一種被稱為孿晶邊界的結構缺陷，據了解，孿晶是中熵和高熵合金獨特的韌性和柔性結合的關鍵因素。當應變導致晶體基體的一個部分對角彎曲，而其周圍的原子則保持原有構型，在邊界兩側形成鏡像時，就會產生孿晶。

研究人員使用一系列金屬來製造奈米粒子，這些粒子非常小，可以用十億分之一公尺來測量。六種中熵合金奈米粒子結合了鎳、鈀和鉑。四種高熵合金奈米粒子結合了鈷、鎳、釕、銠、鈀、銀、銥和鉑。

製造這些合金的過程類似於鐵匠任務的極端和極速版本。科學家將金屬在華氏2000 多度的高溫下液化五百分之一秒，然後在不到十分之一秒的時間內冷卻下來。這樣做的目的是將固態合金固定在與液態合金相同的多種元素混合物中。在這個過程中，10 個奈米粒子中有6 個受到衝擊而產生了孿生邊界；其中4 個各有一對孿生粒子。

識別缺陷需要研究人員開發一種成像技術，即原子電子斷層掃描技術。該技術使用電子，因為原子級細節比可見光波長小得多。由於在樣品旋轉時能捕捉到多個影像，因此能繪製出三維資料。調整原子電子斷層掃描技術以繪製複雜的金屬混合物是一項艱苦的工作。

「我們的目標是找到自然界的真相，我們的測量必須盡可能精確，」身兼STROBE國家科學基金會科技中心副主任的苗說。”我們慢慢地工作，挑戰極限，使每一步都盡可能完美，然後進入下一步”。

科學家繪製了中熵合金奈米粒子中每個原子的圖譜。高熵合金中的一些金屬大小太相似，電子顯微鏡無法將它們區分開來。因此，這些奈米粒子的圖譜將原子分為三類。

研究人員觀察到，不同元素（或不同類別元素）的原子混合越多，合金的結構就越有可能發生變化，有助於使韌性與柔韌性相符。這些發現可以為設計具有更高耐久性的中熵和高熵合金提供參考，甚至可以透過對某些元素的混合進行工程設計，釋放目前在鋼和其他傳統合金中尚未發現的潛在特性。

「研究缺陷材料的問題在於，你必須單獨觀察每一個缺陷，才能真正了解它對周圍原子的影響，”共同作者、勞倫斯伯克利國家實驗室分子鑄造廠的科學家彼得-埃爾修斯（Peter Ercius）說。”原子電子斷層掃描是唯一具有這種分辨率的技術。我們能在如此小的物體內部看到這種尺度的雜亂原子排列，這實在是太神奇了。”

苗和他的同事目前正在開發一種新的成像方法，將原子電子顯微鏡與一種根據光子發射來識別樣品組成的技術相結合，以區分原子大小相似的金屬。他們也正在開發檢查塊狀中熵合金和高熵合金的方法，以了解它們的結構和性質之間的基本關係。

這項研究發表在今天（12 月20 日）的《自然》（Nature）雜誌上。

DOI: 10.1038/s41586-023-06785-z

編譯來源：ScitechDaily