《Matter》：打破傳統極限的顛覆性納米製造技術

「到現在為止《Matter》期刊僅發表了7篇歸類於最高級別的「材料前沿進展」Material Advancement Progression (MAP)的文章：Discovery, 這篇工作《Unconventional alloys confined in nanoparticles: building blocks for new matter》正是其中之一。」

論文連結：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30385-4

高熵合金的出現代表了向新穎材料研究的範式轉變。它們的優異性能通常認為與熵最大化時的單相固溶體有關。但實際上，單純混合熵的作用往往不足以驅動合金化，目前最主要的難題是：1）創製一種混合態並將其最終轉化成穩定的合金相中；2）不混溶元素體系的正值混合焓阻滯熱力學穩定的均相混合；3）奇異合金的深納尺度增材製造（又稱3D列印）。

解決些難題，作者通過利用微妙級別震蕩的「人工閃電」蒸發母體材料，然後充分混合蒸氣雲，並通過蒸氣-晶體直接轉化的路徑(Vapor-crystal transformation)，淬滅為納尺度下穩定的奇異合金，並將其作為構建塊列印成3D納米結構陣列。

圖1 微妙震蕩火花放電混合多元素蒸氣雲並直接淬滅為對應的組分可控的奇異合金顆粒

圖2 「光錐」混溶圖及其納米尺寸效應（藍色雙曲線）。光錐混溶圖是針對於塊體材料，包含在光錐邊界內部的材料，與「觀察者」材料（這裡是金）完全混溶，在邊界上的材料，與觀察者材料的混合焓約為0。納米尺寸效應對應的藍色雙曲線修改了混溶限制，且可通過減小尺寸（擴大雙曲線的疆域）繼續增大材料的混溶性。

圖3 不混溶材料形成的二元合金而對應的臨界尺寸，前提是必須利用「火花混合」Spark mashup充分混合對應的蒸氣雲。

對於二元不互溶體系的合金顆粒只要低於臨界尺寸，任何比例都可形成穩定的合金結構。該納米尺寸效應給予了混合熵令人驚訝的超大增強因子，使二元合金的混合熵等同於25元塊體合金的混合熵。該發現與「越小越不穩定」和「在納米顆粒中混合多種元素更為困難」的傳統趨勢相矛盾。另一有趣發現是，這種對混合熵的尺寸效應關係與霍金Hawking溫度與黑洞（稱為理想混合器）的尺寸之間的關係極為相似。這些新發現指明了未來高熵合金等奇異合金的全新前沿探索，賦予金屬材料領域新內涵。

圖4 列印的3D合金納米結構陣列，從二元到高熵合金，包含前所未有的新型合金家族，為深納尺度增材製造技術、冶金、光學、超材料等提供無限的前所未有的可能性

在應用方面，將高熵合金納米顆粒作為構建塊，用一項全新的「法拉第3D列印技術」製造納米結構陣列，該列印技術巧妙將電場線轉化成了描畫納尺度3D物體的工具，與200年前法拉第用鉛筆創繪電場線是逆反的過程。列印的多種多樣的高熵合金3D納米結構（納米花、納米柱陣列）有望誕生迄今為止不存在的物質性能：結構中緊密排列的超細微晶及其欒晶特性，有望解決導電性和機械強度不可兼得的矛盾，因此在微納器件等領域有核心競爭優勢；創製的合金顆粒也展示了在MOR, EOR和FAOR中的卓越催化性能。該系統性的工作提出了創製奇異合金的突破性概念，發明了創製任何合金的通用方法，解決了傳統冶金和增材製造中的重大技術難題，指出了高熵合金和奇異合金的前沿研究方向，為發現新物質、列印新結構、探索新性能趟出了一條特殊的有效途徑。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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