合金是现代生活的基础之一，它是由两种或两种以上的金属元素结合而成的材料，如钢。它们对建筑、交通、电器和工具都是必不可少的——很可能包括你用来阅读这篇文章的设备。在应用合金时，工程师们面临着大多数材料中常见的一个古老的权衡:坚硬的合金往往易碎，在应变下断裂，而那些在应变下柔韧的合金往往容易凹陷。
大约在20年前，研究人员首次开发出了中熵和高熵合金，这种稳定的材料结合了硬度和柔韧性，这是传统合金所不能做到的。(名称中的“熵”表示合金中元素混合的无序程度。)
现在，一个由加州大学洛杉矶分校领导的研究小组提供了一个前所未有的关于中熵和高熵合金的结构和特性的观点。利用先进的成像技术，研究小组首次绘制出了这种合金的三维原子坐标。在另一项关于材料的科学研究中，研究人员将元素的混合与结构缺陷联系起来。这项研究发表在12月20日的《自然》杂志上。
加州大学洛杉矶分校学院物理学教授、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员苗建伟说:“中熵和高熵合金以前曾在原子尺度上进行过二维投影成像，但这项研究是第一次直接观察到它们的三维原子顺序。”“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。”
中熵合金由三种或四种金属组成，含量大致相等;高熵合金以同样的方式结合了五种或更多。相比之下，传统合金大多是一种金属与其他金属以较低比例混合而成。(例如，不锈钢的铁含量可以达到四分之三或更多。)
要理解科学家们的发现，可以想象一个铁匠在锻造一把剑。这项工作是由一个反直觉的事实指导的，即小的结构缺陷实际上会使金属和合金更坚固。当铁匠反复加热一根柔软、有弹性的金属棒，直到它发光，然后在水中淬火时，结构上的缺陷就会积累起来，从而使金属棒变成一把坚韧不拔的剑。
Miao和他的同事们专注于一种被称为孪生边界的结构缺陷，这被认为是中熵和高熵合金具有韧性和柔韧性的独特组合的关键因素。当应变导致晶体矩阵的一部分对角线弯曲，而周围的原子保持其原始构型，在边界的两侧形成镜像时，就会发生孪生。
研究人员使用一系列金属来制造纳米颗粒，纳米颗粒非常小，可以用十亿分之一米来测量。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工作的极快版本。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，在10个纳米颗粒中，有6个纳米颗粒在激波作用下产生了孪晶界;其中四个人都有一对双胞胎。
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。这项技术使用电子，因为原子级的细节比可见光的波长小得多。结果数据可以在3D中映射，因为在旋转样本时捕获了多个图像。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努力。
“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，”苗说，他也是国家科学基金会科学技术中心的副主任。“我们慢慢地工作，突破极限，使过程的每一步都尽可能完美，然后再进行下一步。”
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太相似了，以至于电子显微镜无法区分它们。因此，这些纳米粒子的地图将原子分为三类。
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，从而使韧性和柔韧性相匹配。这一发现可以为设计耐久性更高的中熵和高熵合金提供信息，甚至可以通过设计某些元素的混合物来揭示目前在钢铁和其他传统合金中看不到的潜在性能。
“研究缺陷材料的问题在于，你必须单独观察每一个缺陷，才能真正知道它是如何影响周围的原子的，”劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的研究员、论文合著者彼得·埃尔修斯(Peter Ercius)说。“原子电子断层扫描是唯一具有这样分辨率的技术。令人惊讶的是，我们可以在这么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，该方法结合了原子电子显微镜和一种根据样品发射的光子来识别样品组成的技术，以便区分具有相似大小原子的金属。
他们也在研究检验大块中熵和高熵合金的方法，并了解它们的结构和性质之间的基本关系。
