加州大学洛杉矶分校在合金研究领域取得了新突破，首www.196nk.cn次提出了中熵合金和高熵合金的三维制图，这些材料具有更强的柔韧MrbOQzVPzC性，有可能给该领域带来革命性的变化。合金是由两种或两种以上金属元素组合而成的材料，如钢，是当代生活的基础之一。它们是建筑、交通、电器和工具的基本材料，很可能包括您阅读本篇报道时正在使用的设备。

在应用合金的过程中，工程师们面临着大多数材料中常见的一个古老的权衡问题： 硬度高的合金在应力作用下容易脆断，而应力作用下弹性好的合金则容易凹陷。

大约 20 年前，研究人员首次开发出中熵和高熵合金，这种稳定的材料兼具硬度和柔韧性，而传统合金则不具备这种特性。(名称中的"熵"表示合金中元素混合物的无序程196世界之最度）。

现在，一个由加州大学洛杉矶分校领导的研究小组提供了一个前所未有的视角，来观察中熵合金和高熵合金的结构和特性。研究小组利用先进的成像技术，首次绘制出了此类合金的三维原子坐标图。在任何材料的另一项科学创举中，研究人员将元素混合物与结构缺陷联系起来。

高熵合金纳米粒子的原子图谱，红色、蓝色和绿色显示不同类别的元素，黄色显示孪晶边界。资料来源：Miao 实验室/加州大学洛杉矶分校

通讯作者、加州大学洛杉矶分校学院物理学教授、加州纳米系统研究所成员苗建伟（John Miao）说："中熵和高熵合金以前曾以二维投影的方式在原子尺度上成像，但这项研究是www.196nk.cn首次直接观察到它们的三维原子秩序。我们发现了一个新的'旋钮'，它可以提高合金的韧性和柔韧性。"

中熵合金以大致相等的数量结合了三种或四种金属；高熵合金则以同样的方式结合了五种或更多种金属。相比之下，传统合金主要是一种金属与其他金属以较低比例混合而成。(例如，不锈钢的四分之三或更多成分是铁）。

要理解科学家们的发现，可以想象一下铁匠锻造宝剑的情景。铁匠的锻造工作遵循一个反直觉的事实，即微小的结构缺陷实际上会使金属和合金变得更加坚硬。当铁匠反复加热柔软而有弹性的金属棒直至其发光，然后将其放入水中淬火时，结构缺陷就会逐渐累积，从而帮助将金属棒变成一把坚硬无比的宝剑。

苗和他的同事重点研究了一种被称为孪晶边界的结构缺陷，据了解，孪晶是中熵和高熵合金独特的韧性和柔性结合的关键因素。当应变导致晶体基体的一个部分发生对角弯曲，而其周围的原子则保持原有构型，在边界两侧形成镜像时，就会产生孪晶。

研究人员使用一系列金属来制造纳米粒子，这些粒子非常小，可以用十亿分之一米来测量。六种中熵合金纳米粒子结合了镍、钯和铂。四种高熵合金纳米粒子结合了钴、镍、钌、铑、钯、银、铱和铂。

制造这些合金的过程类似于铁匠任务的极端和极速版本。科学家们将金属在华氏 2000 多度的高温下液化五百分之一秒，然后在不到十分之一秒的时间内冷却下来。这样做的目的是将固态合金固定在与液态合金相同的多种元素混合物中。在这个过程中，10 个纳米粒子中有 6 个受到冲击而产生了孪生边界；其中 4 个各有一对孪生粒子。

识别缺陷需要研究人员开发一种成像技术，即原子电子断层扫描技术。该技术使用电子，因为原子级细节比可见光波长小得多。由于在样品旋转时能捕捉到多幅图像，因此能绘制出三维数据。调整原子电子断层扫描技术以绘制复杂的金属混合物是一项艰苦的工作。

"我们的目标是找到自然界的真相，我们的测量必须尽可能精确，"身兼STROBE国家科学基金会科技中心副主任的苗说。"我们慢慢地工作，挑战极限，使每一步都尽可能完美，然后进入下一步"。

科学家们绘制了中熵合金纳米粒子中每个原子的图谱。高熵合金中的一些金属大小过于相似，电子显微镜无法将它们区分开来。因此，这些纳米粒子的图谱将原子分为三类。

研究人员观察到，不同元素（或不同类别元素）的原子混合得越多，合金的结构就越有可能发生变化，从而有助于使韧性与柔韧性相匹配。这些发现可以为设计具有更高耐久性的中熵和高熵合金提供参考，甚至www.196nk.cn可以通过对某些元素的混合进行工程设计，释放目前在钢和其他传统合金中尚未发现的潜在特性。

"研究缺陷材料的问题在于，你必须单独观察每一个缺陷，才能真正了解它对周围原子的影响，"共同作者、劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的科学家彼得-埃尔修斯（Peter Ercius）说。"原子电子断层扫描是唯一具有这种分辨率的技术。我们能在如此小的物体内部看到这种尺度的杂乱原子排列，这实在是太神奇了。"

苗和他的同事们目前正在开发一种新的成像方法，将原子电子显微镜与一种根据光子发射来识别样品构成的技术相结合，以区分原子大小相似的金属。他们还在开发检查块状中熵合金和高熵合金的方法，以了解它们的结构和性质之间的基本关系。

这项研究发表在今天（12 月 20 日）的《自然》（Nature）杂志上。

DOI: 10.1038/s41586-023-06785-z

编译来源：ScitechDaily