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近日,以武汉大学为第一署名单位的《液态金属用于高熵合金纳米颗粒的合成》一文在国际著名学术期刊《自然》杂志发表。付磊研究团队以“混合焓”为切入点,降低吉布斯自由能变,采用流动性液态金属,实现了温和条件下各类高熵合金体系的原子制造,极大拓展了高熵合金的组分选择空间,有望促进其在更多关键领域应用。
说起合金,可能有人听说过,至于高熵合金,听说过的人就会更少。那么,什么是高熵合金?
在化学中,熵是热力学的一个概念,最早由德国物理学家克劳修斯提出。随着信息理论、统计物理学的发展,科学家们了解到熵的本质其实是一个系统的“内在混乱程度”,而高熵指的就是系统高混乱和无序状态。
要想知道高熵合金的来历,我们就要先从合金说起。合金在日常生活中用得较多,如铝合金、钢铁。钢铁是以铁为基础,加入微量的碳等非金属元素,就得到了以铁为主的合金。这在公元前我们的祖先就已知晓,从青铜器中可见一斑:在铜中加入少量的锡,就能得到青铜;铝中加入少量的镁与硅,就能得到铝合金。但是,从以往的经验来看,合金中加入的金属种类越多,越有可能导致其材质脆化。因此,合金成分一般只有一两种。随着人类探索世界和外太空的脚步,传统的合金材料也逐渐受到限制,因此需要更为苛刻条件下性能优异的合金。
2004年,“高熵合金之父”叶均蔚发表研究成果,制备出高熵合金,从而验证了他的设想:将足够多的元素等比例混合在一起,最终得到混合合金无序度过高,或许能阻碍那些导致合金脆化团簇的形成。至此,高熵合金逐渐走进科学家的视野,打破了人们对合金固有的印象。
作为一类基于“化学无序”发展而来的新型材料,高熵合金以多种组分混合的方式制成,进而在性能上表现出更高的稳定性,还具有超导性和磁性,有望在电力、医疗、通讯等领域得到应用。
高熵合金在化学上表现出来的抗高温氧化性,可以将其镀在金属外层来保护金属。目前,所知的抗高温氧化材料,如镍基合金,在航空航天领域广泛应用,但镍基合金价格昂贵,而高熵合金因其特殊的结构和性能被称为 “下一代抗高温氧化性材料的最佳替代品”。
氢能是最清洁的能源,可从电解水过程中获得,但是电解水成本很高,高效的析氢催化剂的合成是提高水电解制氢的关键。过渡金属高熵合金有望在未来的制氢领域发挥更大的作用。
虽然高熵合金在目前应用还不广泛,但随着科技的发展,材料的性能会更加优异,也将成为我们探索外太空等极端环境的得力助手。
(第一作者系西北师范大学教授、博士生导师,第二作者系西北师范大学硕士研究生)
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