高熵合金——從“化學(xué)無序”發(fā)展而來的新型材料

近日，以武漢大學(xué)為第一署名單位的《液態(tài)金屬用于高熵合金納米顆粒的合成》一文在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。付磊研究團隊以“混合焓”為切入點，降低吉布斯自由能變，采用流動性液態(tài)金屬，實現(xiàn)了溫和條件下各類高熵合金體系的原子制造，極大拓展了高熵合金的組分選擇空間，有望促進其在更多關(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用。

說起合金，可能有人聽說過，至于高熵合金，聽說過的人就會更少。那么，什么是高熵合金？

在化學(xué)中，熵是熱力學(xué)的一個概念，最早由德國物理學(xué)家克勞修斯提出。隨著信息理論、統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們了解到熵的本質(zhì)其實是一個系統(tǒng)的“內(nèi)在混亂程度”，而高熵指的就是系統(tǒng)高混亂和無序狀態(tài)。

要想知道高熵合金的來歷，我們就要先從合金說起。合金在日常生活中用得較多，如鋁合金、鋼鐵。鋼鐵是以鐵為基礎(chǔ)，加入微量的碳等非金屬元素，就得到了以鐵為主的合金。這在公元前我們的祖先就已知曉，從青銅器中可見一斑：在銅中加入少量的錫，就能得到青銅；鋁中加入少量的鎂與硅，就能得到鋁合金。但是，從以往的經(jīng)驗來看，合金中加入的金屬種類越多，越有可能導(dǎo)致其材質(zhì)脆化。因此，合金成分一般只有一兩種。隨著人類探索世界和外太空的腳步，傳統(tǒng)的合金材料也逐漸受到限制，因此需要更為苛刻條件下性能優(yōu)異的合金。

2004年，“高熵合金之父”葉均蔚發(fā)表研究成果，制備出高熵合金，從而驗證了他的設(shè)想：將足夠多的元素等比例混合在一起，最終得到混合合金無序度過高，或許能阻礙那些導(dǎo)致合金脆化團簇的形成。至此，高熵合金逐漸走進科學(xué)家的視野，打破了人們對合金固有的印象。

作為一類基于“化學(xué)無序”發(fā)展而來的新型材料，高熵合金以多種組分混合的方式制成，進而在性能上表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，還具有超導(dǎo)性和磁性，有望在電力、醫(yī)療、通訊等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

高熵合金在化學(xué)上表現(xiàn)出來的抗高溫氧化性，可以將其鍍在金屬外層來保護金屬。目前，所知的抗高溫氧化材料，如鎳基合金，在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但鎳基合金價格昂貴，而高熵合金因其特殊的結(jié)構(gòu)和性能被稱為 “下一代抗高溫氧化性材料的最佳替代品”。

氫能是最清潔的能源，可從電解水過程中獲得，但是電解水成本很高，高效的析氫催化劑的合成是提高水電解制氫的關(guān)鍵。過渡金屬高熵合金有望在未來的制氫領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

雖然高熵合金在目前應(yīng)用還不廣泛，但隨著科技的發(fā)展，材料的性能會更加優(yōu)異，也將成為我們探索外太空等極端環(huán)境的得力助手。

（第一作者系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，第二作者系西北師范大學(xué)碩士研究生）