首次揭示下一代合金的3D原子细节

合金是由两种或多种金属元素组合而成的钢等材料，是当代生活的基础之一。它们对于建筑物、交通、电器和工具至关重要——很可能包括你用来阅读这个故事的设备。在应用合金时，工程师们面临着大多数材料中常见的古老权衡：坚硬的合金往往在应变下变脆并断裂，而在应变下柔韧的合金往往容易凹陷。

大约20年前，当研究人员首次开发出中熵和高熵合金时，就出现了回避这种权衡的可能性，这种稳定的材料以传统合金所不具备的方式结合了硬度和柔韧性。 （名称中的“熵”表示合金中元素的混合物是多么无序。

现在，加州大学洛杉矶分校领导的研究小组对中熵和高熵合金的结构和特性提供了前所未有的视角。使用先进的成像技术，该团队首次绘制了这种合金的三维原子坐标。在另一项科学研究中，研究人员将元素混合物与结构缺陷相关联。

“中熵和高熵合金以前在原子尺度上以2D投影成像，但这项研究代表了首次直接观察到它们的3D原子顺序，”通讯作者Jianwei “John” Miao说，他是加州大学洛杉矶分校学院的物理学教授，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。“我们发现了一种新的旋钮，可以转动以提高合金的韧性和柔韧性。”

中熵合金将三种或四种金属以大致相等的量结合在一起;高熵合金以相同的方式组合五种或更多。相比之下，传统合金大多是一种金属，其他金属以较低的比例混合。（例如，不锈钢可以是四分之三或更多的铁。

要理解科学家的发现，想想铁匠锻造一把剑。这项工作的指导是基于一个违反直觉的事实，即微小的结构缺陷实际上会使金属和合金更坚韧。当铁匠反复加热柔软、有弹性的金属棒，直到它发光，然后在水中淬火时，结构缺陷就会累积，有助于将金属棒变成一把不屈不挠的剑。

Miao和他的同事们专注于一种称为双边界的结构缺陷，这被认为是中高熵合金独特韧性和柔韧性组合的关键因素。当应变导致晶体基质的一部分沿对角线弯曲，而其周围的原子保持其原始配置时，就会发生孪生，从而在边界的两侧形成镜像。

研究人员使用一系列金属来制造纳米颗粒，这些纳米颗粒非常小，可以测量到十亿分之一米。六种中熵合金纳米颗粒结合了镍、钯和铂。高熵合金的四个纳米颗粒结合了钴、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且极快的版本。科学家们在超过2000华氏度的温度下将金属液化了百分之五秒，然后在不到十分之一的时间内将其冷却。这个想法是将固体合金固定在与液体相同的各种元素混合物中。在此过程中，该过程的冲击在 10 个纳米颗粒中的 6 个中引发了双边界;其中四个人各有一对双胞胎。

识别缺陷需要研究人员开发的成像技术，称为原子电子断层扫描。该技术使用电子，因为原子级的细节比可见光的波长小得多。生成的数据可以以 3D 形式映射，因为在旋转样品时会捕获多个图像。调整原子电子断层扫描以绘制复杂的金属混合物是一项艰苦的工作。

“我们的目标是在自然界中找到真相，我们的测量必须尽可能准确，”苗说，他也是STROBE国家科学基金会科学技术中心副主任。“我们慢慢地工作，突破极限，使流程的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颗粒中的每个原子。高熵合金中的一些金属在尺寸上过于相似，电子显微镜无法区分它们。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（或不同类别的元素）的原子混合得越多，合金的结构就越有可能发生变化，从而有助于将韧性与柔韧性相匹配。这些发现可以为具有更高耐久性的中熵和高熵合金的设计提供信息，甚至可以通过设计某些元素的混合物来释放目前在钢和其他传统合金中看不到的潜在特性。

“研究有缺陷的材料的问题在于，你必须分别观察每个单独的缺陷，才能真正知道它如何影响周围的原子，”合著者、劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的科学家Peter Ercius说。“原子电子断层扫描是唯一具有分辨率的技术。令人惊讶的是，我们可以在如此小的物体中看到这种规模的混乱原子排列。

Miao和他的同事们现在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样品发出的光子识别样品组成的技术相结合，以区分具有相似尺寸原子的金属。他们还在开发检查块状中熵和高熵合金的方法，并了解其结构和性能之间的基本关系。

该研究于12月20日发表在《自然》杂志上。

该研究的共同第一作者是前加州大学洛杉矶分校博士后学者萨曼·莫尼里（Saman Moniri）;姚洋，2021年获得加州大学洛杉矶分校博士学位;以及中国习交通大学的丁军。其他合著者包括加州大学洛杉矶分校博士后学者廖宇轩;前加州大学洛杉矶分校博士后学者袁亚坤、周继寒、杨龙、朱帆;以及马里兰大学帕克分校的姚永刚和胡良兵。

该研究得到了美国能源部的支持。该实验在伯克利实验室的分子铸造厂进行，该实验室也由美国能源部赞助。