首次揭示下一代合金的3D原子细节

在应用合金时，工程师们面临着大多数材料中常见的一个古老的权衡：坚硬的合金往往会变脆并在压力下破裂，而那些在压力下柔软的合金往往容易凹陷。

高熵合金纳米颗粒的原子图以红色、蓝色和绿色显示不同类别的元素，以黄色显示孪生边界。图片来源：苗实验室/加州大学洛杉矶分校

大约20年前，当研究人员首次开发出中熵和高熵合金时，回避这种权衡的可能性就出现了，这种稳定的材料以传统合金无法做到的方式将硬度和柔韧性结合在一起。(名称中的“熵”表示合金中元素的混合程度。)

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，该团队首次绘制了此类合金的三维原子坐标图。研究人员将元素混合物与结构缺陷联系起来，这是任何材料的另一项科学首创。

“中熵和高熵合金之前已经在2D投影中在原子尺度上成像，但这项研究代表了第一次直接观察到它们的3D原子顺序，”通讯作者、教授、Jianwei“John”Miao说。加州大学洛杉矶分校物理学教授，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员。“我们发现了一种新的旋钮，可以转动它来提高合金的韧性和灵活性。”

中熵合金以大致等量的方式结合了三种或四种金属;高熵合金以同样的方式结合五种或更多。相比之下，传统合金大多是一种金属，其他金属以较低比例混合。(例如，不锈钢的含量可以是铁的四分之三或更多。)

要理解科学家的发现，请想象一下铁匠正在锻造一把剑。这项工作以一个违反直觉的事实为指导，即微小的结构缺陷实际上会使金属和合金变得更坚韧。当铁匠反复加热柔软、有弹性的金属棒直至其发光，然后在水中淬火时，会产生结构缺陷，从而帮助将金属棒变成一把不屈的剑。

缪和他的同事专注于一种称为孪晶边界的结构缺陷，它被认为是中熵和高熵合金独特的韧性和柔韧性组合的关键因素。当应变导致晶体基质的一个部分对角弯曲，而周围的原子保持其原始结构，在边界两侧形成镜像时，就会发生孪晶。

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，可以以十亿分之一米为单位进行测量。六种中熵合金纳米颗粒结合了镍、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且极其快速的版本。科学家们在百分之五秒内将金属在超过2000华氏度的温度下液化，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不同元素混合物中。在此过程中，该过程的冲击在10个纳米粒子中的6个中产生了孪生边界;其中四人各有一对双胞胎。

识别缺陷需要研究人员开发的一种成像技术，称为原子电子断层扫描。该技术使用电子，因为原子级细节比可见光的波长小得多。由于旋转样本时会捕获多个图像，因此可以将生成的数据映射为3D。调整原子电子断层扫描来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准确，”兼任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，突破极限，使流程的每一步都尽可能完美，然后继续下一步。”

科学家们绘制了中熵合金纳米粒子中的每个原子的图。高熵合金中的一些金属尺寸过于相似，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，从而有助于韧性与柔韧性的匹配。这些发现可以为具有更高耐用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未见的潜在特性。

“研究有缺陷材料的问题在于，你必须分别观察每个缺陷，才能真正了解它如何影响周围的原子，”劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的研究员、合著者彼得·埃西乌斯说。“原子电子断层扫描是唯一能够做到这一点的技术。令人惊奇的是，我们可以在如此小的物体内看到如此规模的混乱原子排列。”

缪和他的同事现在正在开发一种新的成像方法，该方法将原子电子显微镜与根据样品发射的光子识别样品成分的技术相结合，以区分具有相似大小原子的金属。他们还在开发方法来检查大块中熵和高熵合金，并了解其结构和性能之间的基本关系。

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