据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）和加州大学欧文分校（University of California, Irvine）的研究人员发现原子在多主元素合金（MPEA）中自我排列并找到其首选邻居的惊人方式。这有助于工程师“调整”这些独特而有用的材料，以提高先进发电厂和航空航天技术等特定应用的性能。
（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）
MPEA采用创新合金设计方法，与通常具有一种或两种主要元素的传统合金明显不同，MPEA由原子比例几乎相等的多种主要元素组成。这种新材料具有航空航天和汽车等行业所需的特性，例如在极端温度下非常坚韧。
宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学（以及核工程）助理教授Yang Yang表示：“以前，像钢这样的合金使用一到两种主要元素和微量元素进行设计，以提高性能。MPEA采用不同的方法，其中所有组分都是主要元素。这种材料适合重视机械性能的结构应用，比如核反应堆或航空航天部件。”
了解MPEA的主要差距之一在于短程序（SRO）的形成和控制。短程序（SRO）是指原子在短距离内的非随机排列，通常只有几个原子宽。研究人员发现，SRO是MPEA的固有特征，在制造此类材料的凝固过程中形成，其中涉及液体组分硬化。SRO不是完全随机的，而是原子以特定顺序聚集。这可能会影响MPEA的性能，例如强度或导电性。
这项发现挑战了以前的观点，即如果凝固过程中的冷却速度很快，MPEA中的元素会在晶格中随机排列。这也挑战了SRO主要在退火过程中形成的想法。在退火过程中，通过加热和逐渐冷却来增强材料的微观结构，以改善强度、硬度和延展性等性能，或在机械应力下不断裂的能力。
采用先进的添加制造技术和改进的半定量电子显微镜方法，该团队研究钴/铬/镍基MPEA中的SRO。令人惊讶的是，他们发现SRO是在凝固过程中形成的，无论施加的冷却速度或热处理如何。加州大学欧文分校机械和航空航天工程（以及材料科学与工程）助理教授Penghui Cao表示：“我们发现，即使在极高的冷却速度下（高达每秒1000亿摄氏度），SRO仍然会形成。这与先前认为SRO只在退火过程中形成的观点相反。”
这通过详细的计算机模拟得到了证实。模拟显示，随着金属冷却和凝固，原子会迅速进行自我排列。Yang表示，这一发现对材料科学和工程学有着深远的影响。研究人员认识到SRO是在凝固过程中形成的固有性质，这意味着传统的热处理方法可能无法有效地控制它。“研究结果表明，SRO在具有面心立方结构的MPEA中无处不在，并且通过实验中可达到的典型冷却速度无法避免这种情况。面心立方结构是一种形状像立方体的晶体结构，每个面有六个原子。这一认识有助于该领域解决关于SRO在提高材料机械强度方面的作用的长期争论。”
研究人员还发现，鉴于SRO的普遍特性，他们可以“调整”MPEA的特定属性。Cao表示：“控制MPEA中形成SRO的程度，可能通过机械变形或辐射损伤来实现。这提供了通过调节SRO受控机制来设计材料性能的新维度。”
Yang表示，这项研究在了解MPEA及其固有特性方面迈出了重要一步。通过揭示SRO是在凝固过程中必然形成的特性，该研究为材料设计和工程学开辟了新的可能性。“了解原子如何找到邻居（即使在快速冷却速率下），有助于控制结构并提高这些创新材料的性能。当然，这仍处于基础科学阶段，我期待看到它的进一步发展。”
