一般而言，合金多由少數(shù)幾種金屬元素構成。然而，由多種金屬元素組成的合金，雖能賦予材料特性調控上更大的彈性，其製備過程與結構控制技術卻也相對複雜。近期一項研究提出了一種更為高效的高熵合金製備策略，本文將就此進行探討。

此類由多種主元金屬元素構成的合金，被稱為「高熵合金」。其名稱中的「熵」源自熱力學，是用以描述系統(tǒng)混亂程度的物理量；「高熵」一詞，正反映出該類合金因組成元素繁多而呈現(xiàn)出的高度「混沌」特性。

通常，高熵合金由五種或以上金屬元素以相近比例共同組成。此概念最早於2004年被提出，研究指出多元組分在原子尺度上的混合，可賦予合金優(yōu)異的硬度與抗腐蝕性能。

目前，高熵合金的製備已有數(shù)種途徑。部分方法可謂「從無到有」，於原子層次逐步構建合金結構。例如，將金屬原料加熱至攝氏700度以上再迅速冷卻，可製得相應的納米粒子。然而，此法除需高溫環(huán)境外，主要僅適用於製備納米粒子，對於納米薄板、納米線等其他形態(tài)則效果不彰。

濕式化學合成是另一種「由基礎出發(fā)」的製備方法，透過溶液中前驅體的化學反應，可製備出納米球體、納米薄板等不同形貌。但該過程通常耗時數(shù)小時，且僅適用於鉑、銥等化學活性較低的金屬。此外，如何精準調控此方法所得合金的結晶度，目前仍是技術挑戰(zhàn)。

為克服上述難題，研究團隊近期開發(fā)出一種以液態(tài)鎵為反應媒介的新策略。該方法先配製含目標金屬離子的溶液，隨後引入液態(tài)鎵。溶液中金屬離子會與液態(tài)鎵發(fā)生置換反應：鎵轉為離子進入溶液，而溶液中的金屬離子則被還原並「沉澱」出來，共同形成高熵合金。利用此法，研究人員得以在攝氏25度至80度的相對低溫下，於數(shù)秒至兩分鐘內成功合成高熵合金。

在此過程中，溶液中的氫離子亦會被液態(tài)鎵還原產生氫氣。這些氫氣扮演了雙重積極角色：其一，氣泡攪動溶液，促進各金屬組分的均勻混合；其二，氫氣能適度約束合金晶體的過度生長，有助於維持材料結構的穩(wěn)定性。

研究團隊進一步探討了溫度對合金結晶行為的影響。以某特定高熵合金為例，在攝氏40度下僅形成單一晶體；當溫度升至60度，則呈現(xiàn)「中等晶體」結構，即大量納米尺寸晶體呈現(xiàn)規(guī)則排列；溫度達80度時，更形成「多層晶體」構造，由多個納米晶體以隨機取向聚集而成。結果顯示，溫度愈高，晶體合成速率愈快，結構演變也愈趨複雜。

小結

誠然，此項高熵合金合成新法仍有其局限，例如目前僅能製備尺寸較小的合金顆粒，且晶體尺寸需保持均一。儘管如此，該方法提供了低溫、快速的合成路徑，無疑為高熵合金的製備科學開拓了新的研究方向。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發(fā)展對社會的影響。