無序的材料可能是最堅(jiān)硬脂信、最耐熱的碳化物
計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測了一類新的碳化物佣渴，它們可能會擾亂從機(jī)械到航空航天等行業(yè)
杜克大學(xué)(Duke University)和加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)的材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新型碳化物齿坷，有望成為現(xiàn)有熔點(diǎn)最高桂肌、最堅(jiān)硬的材料之一。這種由廉價(jià)金屬制成的新材料可能很快就會在從機(jī)械永淌、硬件到航空航天等眾多行業(yè)中得到應(yīng)用崎场。碳化物傳統(tǒng)上是由碳和另一種元素組成的化合物。當(dāng)與鈦或鎢等金屬搭配時(shí)遂蛀，產(chǎn)生的材料非常堅(jiān)硬谭跨，難以熔化。這使得碳化物非常適合應(yīng)用于切削工具或航天飛機(jī)部件表面的涂層李滴。少量含有三種或三種以上元素的復(fù)合碳化物也存在螃宙，但在實(shí)驗(yàn)室以外或工業(yè)應(yīng)用中并不常見。這主要是由于難以確定哪些組合可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)所坯，更不用說具有理想的性能了谆扎。
杜克大學(xué)(Duke University)和加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)的一組材料科學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種新型碳化物包竹，這種碳化物能同時(shí)將碳與五種不同的金屬元素結(jié)合在一起燕酷。杜克大學(xué)(Duke University)的研究人員通過計(jì)算預(yù)測了這些材料的存在，然后在加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)成功合成了這些材料周瞎。杜克大學(xué)(Duke)機(jī)械工程與材料科學(xué)教授斯特凡諾?科塔羅羅(Stefano Curtarolo)表示:“這些材料比目前的碳化物更硬苗缩、更輕∩睿”“它們的熔點(diǎn)也很高酱讶，由相對便宜的材料混合物制成”宋冢”這些屬性的組合應(yīng)該會使它們對廣泛的行業(yè)非常有用泻肯。當(dāng)學(xué)生們學(xué)習(xí)分子結(jié)構(gòu)時(shí)，他們會看到像鹽一樣的晶體慰照，就像一個(gè)三維棋盤灶挟。這些材料通過規(guī)則有序的原子鍵獲得它們的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，原子間的鍵就像拼圖游戲的碎片一樣相互連接在一起毒租。然而稚铣，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷常常會增加材料的強(qiáng)度。例如，如果裂紋開始沿著分子鍵的方向傳播惕医，一組排列錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)就會阻止裂紋的傳播耕漱。固體金屬的淬火是通過一種稱為退火的加熱和淬火過程來實(shí)現(xiàn)的。
五金屬碳化物的新分類把這一想法帶到了下一個(gè)層次抬伺。這些材料拋棄了任何依賴于晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的穩(wěn)定性螟够，完全依賴于無序。雖然一堆棒球不會自己站起來峡钓，但一堆棒球妓笙、鞋子、蝙蝠椒楣、帽子和手套可能會站起來,困難在于預(yù)測哪些因素的組合會站得住腳给郊。嘗試制造新材料既昂貴又費(fèi)時(shí)。通過第一原理模擬計(jì)算原子間的相互作用更是如此捧灰。由于有5個(gè)金屬元素槽和91個(gè)可供選擇淆九，潛在配方的數(shù)量很快變得令人生畏。
科塔羅洛實(shí)驗(yàn)室的普拉納布薩克(Pranab Sarker)說毛俏，“要想找出哪些組合能夠很好地混合炭庙，你必須基于熵進(jìn)行光譜分析』涂埽”“通過一個(gè)原子一個(gè)原子地建立模型來計(jì)算熵是非常耗時(shí)和困難的焕蹄。所以我們嘗試了一些不同的東西。該團(tuán)隊(duì)首先將原料范圍縮小到八種已知能產(chǎn)生高硬度和高熔點(diǎn)碳化物的金屬阀溶。然后他們計(jì)算出一個(gè)潛在的五金屬碳化物需要多少能量才能形成一組大的隨機(jī)構(gòu)型腻脏。如果結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，則表明組合很可能傾向于單一配置银锻，結(jié)果就會分崩離析——就像組合中有太多棒球一樣永品。但如果有許多結(jié)構(gòu)緊密地聚集在一起，這表明材料可能會同時(shí)形成許多不同的結(jié)構(gòu)击纬，從而提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需的無序性鼎姐。
然后，該小組讓同事肯尼斯?維奇奧(Kenneth Vecchio)嘗試實(shí)際制造9種化合物更振，從而驗(yàn)證了他們的理論炕桨。維奇奧是加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)納米工程教授。這是通過將每個(gè)配方中的元素以細(xì)粉的形式組合在一起肯腕，在高達(dá)華氏4000度的溫度下擠壓它們献宫，并將2000安培的電流直接流過它們來完成的∈等觯“學(xué)習(xí)處理這些材料是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)遵蚜，”韋基奧實(shí)驗(yàn)室的博士生泰勒哈林頓(Tyler Harrington)說帖池。“它們的行為不同于我們曾經(jīng)接觸過的任何材料吭净，甚至是傳統(tǒng)的碳化物‰鹊椋”
他們選擇了他們的系統(tǒng)認(rèn)為最可能形成穩(wěn)定物質(zhì)的三種配方寂殉，最不可能形成穩(wěn)定物質(zhì)的兩種配方，以及介于兩者之間的四種隨機(jī)組合原在。正如預(yù)測的那樣友扰，三個(gè)最有可能的候選人成功了，而兩個(gè)最不可能的沒有成功庶柿。四名中衛(wèi)中有三名也形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)村怪。盡管這些新型碳化物都可能具有令人滿意的工業(yè)性能，但有一種不太可能的組合脫穎而出——鉬浮庐、鈮甚负、鉭、釩和鎢的組合审残，簡稱蒙塔沃五梭域。單憑直覺，你永遠(yuǎn)不會認(rèn)為這種組合是可行的搅轿。但事實(shí)證明病涨，最佳人選實(shí)際上是違反直覺的¤捣兀“我們還不知道它的確切性能既穆，因?yàn)樗€沒有經(jīng)過全面測試，”柯塔羅洛說雀鹃』霉ぃ“但一旦我們在接下來的幾個(gè)月里把它送進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，如果它被證明是有史以來熔點(diǎn)最高褐澎、最堅(jiān)硬的材料会钝，我也不會感到驚訝」と”
韋奇奧說:“這次合作是一個(gè)研究小組迁酸，他們致力于展示這種新方法獨(dú)特的、可能改變范式的含義俭正〖轺蓿”“我們正在使用創(chuàng)新的方法，結(jié)合最先進(jìn)的合成和表征工具掸读，為先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)提供集成的‘閉環(huán)’方法串远『甓啵”
