无序的材料可能是最坚硬、最耐热的碳化物

无序的材料可能是最坚硬、最耐热的碳化物

计算机模拟预测了一类新的碳化物，它们可能会扰乱从机械到航空航天等行业

杜克大学(Duke University)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的材料科学家发现了一种新型碳化物，有望成为现有熔点最高、最坚硬的材料之一。这种由廉价金属制成的新材料可能很快就会在从机械、硬件到航空航天等众多行业中得到应用。碳化物传统上是由碳和另一种元素组成的化合物。当与钛或钨等金属搭配时，产生的材料非常坚硬，难以熔化。这使得碳化物非常适合应用于切削工具或航天飞机部件表面的涂层。少量含有三种或三种以上元素的复合碳化物也存在，但在实验室以外或工业应用中并不常见。这主要是由于难以确定哪些组合可以形成稳定的结构，更不用说具有理想的性能了。

杜克大学(Duke University)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的一组材料科学家宣布，他们发现了一种新型碳化物，这种碳化物能同时将碳与五种不同的金属元素结合在一起。杜克大学(Duke University)的研究人员通过计算预测了这些材料的存在，然后在加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)成功合成了这些材料。杜克大学(Duke)机械工程与材料科学教授斯特凡诺•科塔罗罗(Stefano Curtarolo)表示:“这些材料比目前的碳化物更硬、更轻。”“它们的熔点也很高，由相对便宜的材料混合物制成。”这些属性的组合应该会使它们对广泛的行业非常有用。当学生们学习分子结构时，他们会看到像盐一样的晶体，就像一个三维棋盘。这些材料通过规则有序的原子键获得它们的稳定性和强度，原子间的键就像拼图游戏的碎片一样相互连接在一起。然而，晶体结构中的缺陷常常会增加材料的强度。例如，如果裂纹开始沿着分子键的方向传播，一组排列错误的结构就会阻止裂纹的传播。固体金属的淬火是通过一种称为退火的加热和淬火过程来实现的。

五金属碳化物的新分类把这一想法带到了下一个层次。这些材料抛弃了任何依赖于晶体结构和化学键的稳定性，完全依赖于无序。虽然一堆棒球不会自己站起来，但一堆棒球、鞋子、蝙蝠、帽子和手套可能会站起来,困难在于预测哪些因素的组合会站得住脚。尝试制造新材料既昂贵又费时。通过第一原理模拟计算原子间的相互作用更是如此。由于有5个金属元素槽和91个可供选择，潜在配方的数量很快变得令人生畏。

科塔罗洛实验室的普拉纳布萨克(Pranab Sarker)说，“要想找出哪些组合能够很好地混合，你必须基于熵进行光谱分析。”“通过一个原子一个原子地建立模型来计算熵是非常耗时和困难的。所以我们尝试了一些不同的东西。该团队首先将原料范围缩小到八种已知能产生高硬度和高熔点碳化物的金属。然后他们计算出一个潜在的五金属碳化物需要多少能量才能形成一组大的随机构型。如果结果相差甚远，则表明组合很可能倾向于单一配置，结果就会分崩离析——就像组合中有太多棒球一样。但如果有许多结构紧密地聚集在一起，这表明材料可能会同时形成许多不同的结构，从而提供结构稳定所需的无序性。

然后，该小组让同事肯尼斯•维奇奥(Kenneth Vecchio)尝试实际制造9种化合物，从而验证了他们的理论。维奇奥是加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)纳米工程教授。这是通过将每个配方中的元素以细粉的形式组合在一起，在高达华氏4000度的温度下挤压它们，并将2000安培的电流直接流过它们来完成的。“学习处理这些材料是一项艰巨的任务，”韦基奥实验室的博士生泰勒哈林顿(Tyler Harrington)说。“它们的行为不同于我们曾经接触过的任何材料，甚至是传统的碳化物。”

他们选择了他们的系统认为最可能形成稳定物质的三种配方，最不可能形成稳定物质的两种配方，以及介于两者之间的四种随机组合。正如预测的那样，三个最有可能的候选人成功了，而两个最不可能的没有成功。四名中卫中有三名也形成了稳定的结构。尽管这些新型碳化物都可能具有令人满意的工业性能，但有一种不太可能的组合脱颖而出——钼、铌、钽、钒和钨的组合，简称蒙塔沃五。单凭直觉，你永远不会认为这种组合是可行的。但事实证明，最佳人选实际上是违反直觉的。“我们还不知道它的确切性能，因为它还没有经过全面测试，”柯塔罗洛说。“但一旦我们在接下来的几个月里把它送进实验室，如果它被证明是有史以来熔点最高、最坚硬的材料，我也不会感到惊讶。”

韦奇奥说:“这次合作是一个研究小组，他们致力于展示这种新方法独特的、可能改变范式的含义。”“我们正在使用创新的方法，结合最先进的合成和表征工具，为先进材料的发现提供集成的‘闭环’方法。”