金屬加工在數世紀以來一直遵循固定的流程：加熱原材料直到發光，將其熔合在一起，然後冷卻成型。這種方法為我們帶來了青銅、鋼鐵及無數其他合金，這些材料構成了文明的基礎。然而，隨著工程師們朝著必須在極端高溫下運行或為下一代電池提供動力的技術邁進，傳統方法的局限性逐漸顯現。位於洛倫斯伯克利國家實驗室的研究團隊打破了這種傳統，發現了一種在接近溫暖夏日的溫度下製造高熵合金（HEAs）的方法。這一方法預示著一個全新定制金屬的時代，這些金屬不僅強度高，且具有多樣性。
高熵合金與傳統合金的不同之處在於它們在接近相等的比例中平衡多種元素。這種平衡在原子層面上產生了無序，這正是它們卓越韌性和耐用性的秘密。這些特性使得HEAs在航空航天、能源和催化應用方面引起了廣泛關注。研究的第一作者張秋波在樣品中觀察高熵合金。直到最近，研究人員仍然認為實現這種無序的唯一方法是通過火焰。傳統方法依賴於將金屬加熱到極高的溫度，然後迅速淬火以將原子固定在混亂的排列中。伯克利團隊則選擇了液態鎵作為介質，將金屬鹽溶解在水中，然後在25至80°C的溫和條件下與熔融鎵接觸。這一反應使金屬迅速脫去氯原子並合併成穩定的HEAs。
這一突破的靈感來自液態電池透射電子顯微鏡技術，該技術使研究人員能夠實時跟踪原子級的過程。博士後研究人員張秋波觀察到銅離子滑入鎵中並以意想不到的方式結合。由於新型碳膜液體電池具備極高的空間和時間分辨率，研究團隊能夠觀察到在原子層面上，從不同元素組成的納米級非晶液態金屬過渡到小晶體的快速過程，僅需十分之一秒。這一觀察激發了直接製作HEAs的嘗試。最初的測試僅產生納米級顆粒，隨後團隊不斷改進技術，最終能夠生成克級的合金並形成不同的晶體結構，最終為該過程獲得了專利。
這一發現的潛在應用範圍非常廣泛。HEAs可用作電池和燃料電池中的高效催化劑，減少對稀缺進口礦物的依賴。它們在航空航天和需要強韌材料的機械系統中同樣顯示出潛力。為了加速發展，鄭海美博士的團隊正在與加州大學伯克利分校的克里斯汀·佩爾森教授合作，後者領導材料項目，旨在將人工智能整合到合金設計中。研究人員還在探索如何將此方法應用於礦產回收。採礦和地熱作業會釋放含有鈷等貴重元素的廢水，但目前的提取方法成本過高。基於鎵的過程有可能將這些金屬濃縮成可用的合金。這一發現為定制高熵合金的全新範式鋪平了道路。該研究借助於分子工廠的電子顯微鏡設施並得到了美國能源部科學辦公室的支持。該研究結果已發表在《自然》期刊上。
