电子显微镜揭示了制造奇异金属合金的新方法

今日新闻 2025年10月28日 09:47 0 aa

电子显微镜揭示了制造奇异金属合金的新方法

伯克利实验室的材料科学家发现了一种生产广受欢迎的金属的新策略

第一作者张秋波观察了使用该团队的新技术制备的溶液中的高熵合金样品。（图片来源：Robinson Kuntz/伯克利实验室）

人类制造金属合金已有数千年的历史，我们大多数人都能对这个过程产生粗略的印象——它涉及在闷热的车间或工厂中混合、浇注和成型炽热的熔融金属。这种方法对于我们每天看到的传统金属（如钢铁）仍然非常有效。但是，具有特殊化学和机械性能的先进金属，科学家们正在研究将其用于能源技术，如持久电池和航空航天器的极端温度发动机，需要一种更精细的方法。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员发现了一种在接近室温下生产这些材料的新方法，称为高熵合金（HEA）。今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了他们的技术，与现有方法相比，用户还可以更好地控制合金的晶体结构和整体形貌，为定制高熵合金的新范式打开了大门。

这些材料大约在 20 年前首次被发现，由于其破纪录的强度和韧性，引起了人们的极大兴奋，为它们在机械工程中提供了许多潜在的应用。高熵合金还可以作为有效的催化剂，提高电池和燃料电池的效率和耐用性，并减少我们对进口稀有矿物的依赖。高痓素的独特特性源于其不同元素的均衡配方。典型的金属合金由高比例的一种元素组成，并混合了少量的附加元素（例如，钢是 ~97-99% 的铁，含有少量的碳和其他元素），而 HEA 是由相等或几乎相等比例的元素组成的，形成具有更多熵的内部晶体结构——这意味着它更加杂乱无章。

应用广泛的合金

HEA 是一类不同的材料，具有广泛的特性，取决于其复合元素。但总体而言，众所周知，这些合金具有极高的耐用性，可抵抗机械应变、腐蚀、辐射以及高温和低温——所有这些因素都突破了传统金属的极限。伯克利实验室和加州大学伯克利分校的科学家在测试这些有趣材料的能力方面发挥了重要作用，包括发现一种高緆是一种已知最坚韧的材料。

除了储能设备和航天器外，我们的研究人员和世界各地的其他人正在探索用于一氧化碳的 HEA2还原以制造燃料和其他化学品、燃料电池、传感器和其他电子产品、挖掘地热能井的钻头，甚至生物医学设备。

尽管这种杂乱无章是其功能的关键，但工程师仍然需要能够根据某些规格调整材料并将它们形成不同的形状。现有的制造高熵元素的方法包括将元素加热到高温，使原子具有大量动能，将不同的元素混合成一团，然后通过各种方法迅速降低温度。剧烈的温度变化被认为是锁定高能原子内部无组织状态所必需的。

伯克利实验室团队的方法通过将构成 HEA 的元素混合到金属镓中，在低得多的恒定温度（微风 25-80 摄氏度，或 77-186 华氏度）下实现相同的高熵结果当它呈液态时。这些元素以氯化物形式引入水基溶液中。当酸性液体在令人愉悦的热到热的温度下与液态镓相遇时，元素会很快脱落氯原子并混合在一起，然后凝固成 HEA 合金。根据团队负责人、加州大学伯克利分校材料科学系高级科学家兼职教授郑海美的说法，液-液界面反应和混合的惊人速度是捕获急需的熵的原因。

这一新现象是由第一作者、郑氏课题组的博士后研究员张秋波在使用该团队的液态细胞透射电子显微镜（TEM）平台进行实验时发现的，该平台是他们所研发的技术，使科学家能够在原子水平上实时研究液体环境中发生的电子和化学反应。在使用液态电池透射电镜观察液态镓时，他注意到CuCl2水溶液中的铜离子被吸入镓中并形成合金。

HEA 形成过程的图示，其中溶液中的金属被吸入液态镓滴中，然后在室温（25 C）至 80 C 下混合形成 HEA 颗粒。（图片来源：Zheng et al/Berkeley Lab）

“由于我们的新型碳膜液态电池具有如此高的空间和时间分辨率，我们能够在原子水平上观察到从含有不同元素的纳米级非晶态液态金属到小晶体的非常快速的转变，仅十分之一秒，”张说。这一发现激发了团队尝试创造高熵性有机化合物，由于他们致力于开发高性能催化剂，他们已经对高嘌呤感兴趣。

“这是一个独特的情况，因为制造这些合金的其他方法时好时坏，当它奏效时，这些科学家会来找像我们这样的研究人员，并使用我们的 TEM 技术来了解合金如何形成的机制，”郑说。“在这种情况下，我们首先发现了一种带有 TEM 的机制，然后弄清楚了如何使用它进行合成。我们非常自豪能够找到我们技术的另一种用途。

张先生最初努力用该工艺制造高熵体，产生了纳米颗粒大小的量。然后，他和他的同事们努力扩大这种方法，一次生产几克高熵体。他们目前的技术现已获得专利，可以生成圆形颗粒以外的实用形状和不同类型晶体结构的高氧体。他们还可以用不同的复合金属制造高熵合金，包括不含镓的金属，尽管该元素仍然是该工艺的关键。

团队的一部分聚集在研究中使用的 Molecular Foundry 电子显微镜前。站立，从左到右：Max Gallant、Karen Bustillo 和 Qiubo Zhang。坐着，从左到右：克里斯汀·佩尔森和郑海媚。（图片来源：Robinson Kuntz/伯克利实验室）

郑的团队现在正在与加州大学伯克利分校多机构材料项目主任、伯克利实验室高级科学家和 Daniel M. Tellep 工程学杰出教授 Kristin Persson 合作，以加速使用人工智能设计新的 HEA。这些突破将有助于将高质量疗法从有前途的实验应用转变为实际产品。

该团队还在探索如何使用该技术从采矿和地热井产生的废水中回收有价值的稀有矿物。目前还没有具有成本效益的方法将这些元素从水中拉出，这意味着钴等商业上重要金属的国内来源将被浪费。但镓驱动工艺的更大规模版本有可能选择性地将这些元素从水中分离出来，并将它们浓缩在合金中，电池制造商等客户可以进一步加工。

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