乍一看，這臺機器似乎在建造一個微型城市景觀。一圈噴嘴將四束金屬粉末噴射到向下指向的雷射束中，雷射束將碰撞的顆粒融合在一起，發出明亮的橙色光芒。混合的顆粒隨後在金屬合金小柱的生長尖端凝固。一旦柱子達到 1-2 釐米高，支撐它的平臺就會移動到一側，機器開始在旁邊建造另一個柱子。結果看起來像一片玩具摩天大樓的森林。
實際上，這些在愛荷華州艾姆斯實驗室產生的塔樓反映了研究人員對合金的看法發生了重大轉變。從古代的劍和箭頭到現代的噴氣發動機渦輪機，標準配方一直都是取一種有用的金屬，加入少許這種或少許那種來改善其效能。一個經典的例子是在鐵中加入碳來製造鋼。
但是艾姆斯實驗室的機器正在製造“高熵”合金的實驗樣品，這些合金由四種、五種或更多種元素以大致相等的比例混合而成。這種看似簡單的配方可以產生比傳統合金更輕、更強的合金，同時對腐蝕、輻射或嚴重磨損具有更強的抵抗力。研究人員最終希望，這種方法甚至可以產生以前從未見過的磁性或電學效能的合金，從而導致全新的技術發展。
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來源：改編自 Gludovatz, B. 等人發表於 Nature Commun. 7, 10602 (2016) 中的圖 4。
《自然》新聞，2016 年 5 月 18 日 doi:10.1038/533306a
北京科技大學先進金屬材料國家重點實驗室的材料科學家張勇說：“我們幾乎探索了傳統合金的所有方面。”他說：“對於高熵合金，這門科學非常新，”——如此之新以至於還沒有任何此類合金從實驗室走向市場。但一些研究人員正在努力實現這一目標，他們著眼於從高溫爐襯到超輕航空航天材料等潛在應用。該領域吸引了中國、歐洲、美國和其他地區研究機構的資金。
“我們談論的不是一類狹窄的材料，而是一種極其廣泛的關於如何組合元素的理念，”俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的空軍研究實驗室的材料科學家丹尼爾·米拉克爾說。“發現新穎而令人興奮的事物的機會非常高。”去年，他和他的同事估計，透過從一組僅 26 種金屬元素中組合 3、4、5 或 6 種完全相同比例的金屬元素，可以製成幾乎 313,560 種不同的合金。改變比例或擴大元素的選擇範圍可以帶來更多可能性。
但是，並非每種組合都是贏家，德國波鴻魯爾大學的材料工程師伊索·喬治說。科學家們仍在學習什麼有效，什麼無效。不過，他說，“可供探索的空間確實很大，我們只看到了宇宙的一小部分”。
高熵合金的想法最早在 1995 年由冶金學家葉均蔚提出，當時他正在臺灣的鄉村開車。在臺灣新竹清華大學工作的葉均蔚說，傳統合金的物理學已經得到了很好的理解。在原子水平上，純金屬具有規則的晶體結構，該結構一層層堆積著相同的原子。通常，這些層很容易彼此滑過，這使得金屬太軟而無法使用。這就是為什麼純金很少用於珠寶的原因：它無法承受太多的磨損。但是，如果金屬匠混合一種原子尺寸不同的元素，則該闖入者會隨機破壞各層並減少其滑動的趨勢，從而產生硬度高得多的合金。選擇正確的化合物還可以使冶金學家定製其他效能，例如耐腐蝕性或熔點。
但是，葉均蔚也很清楚潛在的複雜性。例如，如果新增過多的合金元素，則其原子可能會停止在各層之間隨機落下，而是可能開始以更規則的模式與主要金屬原子交替，從而產生一種脆弱且易碎的化合物。
這給了他一個想法，葉均蔚說：與其從一種主要材料開始並混合少量的一種或兩種元素，為什麼不混合四種或五種（甚至更多）種相似數量的元素呢？不同的原子排列方式的數量將急劇增加，從而導致一種混亂的趨勢，或“高熵”，這將壓倒任何偏向規則晶格結構的偏見。由於每種隨機混合的元素的尺寸都不同，因此原子將被固定到位，並且不太容易彼此滑動，從而形成非常堅硬的材料（請參閱“堅硬而強壯”）。
這個想法在當時很奇怪，葉均蔚甚至在他自己的實驗室裡也給它賦予了較低的優先順序；直到 2004 年，他的研究小組才首次報告成功地將五到十種元素混合在一起，從而生產出比不鏽鋼硬度高得多的合金。另一個小組大約在同一時間獨立宣佈了類似的結果。
選擇太多
此後，該領域開始快速發展。 2009 年，張勇描述了一種由鈷、鉻、銅、鐵、鎳和鋁組成的合金，其強度是純鋁的 14 倍以上，但延展性（衡量金屬在不斷裂的情況下拉伸的能力）接近 3 倍。 2011 年，葉均蔚設計了一種鈷、鉻、鐵、鎳、鋁和鈦合金，其耐摩擦損傷的能力是傳統耐磨鋼的兩倍。 2014 年，喬治和他的團隊調製了一種鈷、鉻、鐵、錳和鎳合金，該合金可以在液氮溫度以下冷卻而不會變得脆。該材料可用於低溫容器、天然氣管道和其他低溫應用，例如航天器。
然而，通常，高熵合金最好的地方（大量的可能性）也可能是研究人員最大的挑戰。米拉克爾說，週期表中有 80 多種金屬元素，“有太多的合金要測試，而時間又不夠”。為了他自己對用於飛機發動機和飛機框架的高熵合金的研究，他正在尋找比目前任何可用的材料更輕、更耐腐蝕並且能夠更好地在高溫度下保持其強度的材料。為了應對大量的選擇，米拉克爾專注於諸如鈮、鉭和鉻之類的元素，這些元素本身就具有很高的熔點。
另一種策略是嘗試複製已知能很好地工作的合金的特性。例如，一些鋼不僅是原子的隨機混合物，而且還包含在鋼快速冷卻時形成的小化合物結節。儘管這種複合結構不如隨機混合物穩定，但它賦予了鋼很高的延展性。馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的冶金學家塞姆·塔桑利用這一知識將鐵、錳、鈷和鉻混合成一種高熵合金，該合金同時具有極高的硬度和高度的延展性——這些特性曾經看起來是完全不相容的。“放棄我們所知道的一切是沒有意義的，”他說。
艾姆斯的迷你摩天大樓代表了另一種更系統的方法。該機器可以在不到一小時的時間內建造多達 30 根柱子，每根柱子中原始材料的混合物略有不同，以便研究人員可以快速測試許多合金的效能。艾姆斯的材料科學家馬修·克萊默領導著一個專案，旨在尋找能夠承受高溫並抵抗腐蝕的高熵合金，這有助於發電廠在更高的溫度下執行並變得更有效率。
艾姆斯的理論家杜安·約翰遜在 1995 年開發了一種演算法來預測傳統合金在製造之前的效能，從而為他的團隊提供了幫助。 2015 年，他擴充套件了程式碼，使其適用於高熵合金。約翰遜的演算法評估一種元素對另一種元素的吸引或排斥程度，然後使用該資訊來預測元素混合物是否會形成化合物、固溶體還是兩者的混合物。這使得克萊默的團隊能夠識別哪些合金可能值得研究。然後將實驗結果反饋到演算法中以驗證和改進程式碼。
要推動高熵合金領域向前發展，還需要克服許多障礙。到目前為止，重點一直放在改善結構效能上，例如強度。但是在開發具有特定“功能”屬性（包括電導率或對磁場的響應）的合金方面的工作要少得多——這將使在諸如製冷和電子等領域的應用成為可能。
儘管如此，仍有許多可能性有待探索，特別是當研究人員開始將該概念擴充套件到其原始定義之外時。例如，張勇正在將金屬與碳、氮和矽等元素混合在一起，以開發用於太陽能應用的新型高溫陶瓷。
一些人，包括塔桑和葉均蔚，已經開始嘗試以高但不相等的比例混合元素的合金。他們的初步發現表明，其中許多合金仍然具有所有使高熵合金首先具有吸引力的特性。例如，葉均蔚已經制備了一系列由 50% 氮、碳或氧以及其他元素（例如鋁、矽或鈦）混合而成的硬質材料，這些材料可以承受刮擦。它們可以用作機器零件和切削工具的持久塗層。“我們現在擁有一個豐富而廣闊的探索領域，”喬治說。
本文經許可轉載，於 2016 年 5 月 18 日首次釋出。