一項新的研究顛覆了冶金學的一個基本原則：冶金學101的規則是熱量總是使金屬變軟。這個規則很簡單：如果想要彎曲金屬，就加熱它。這使得材料可以被彎曲或塑形而不會開裂。自鐵器時代以來，鐵匠們一直依賴於鍛造時的柔軟光輝，而冶金學101則規定熱能使原子能夠輕鬆滑動。然而，美國西北大學的一組工程師剛剛對這一基礎挑戰了。在週二發佈於《物理評論快報》的研究中，研究人員揭示，在極端的高速條件下，熱量不但不會軟化純金屬，反而使其變得更堅硬或增強其強度。該研究的第一作者克里斯·舒赫表示：「冶金學中最基本的原則之一是，如果你加熱金屬，它會變得更軟。但我們發現，如果你加熱純金屬並嘗試在極高速度下變形，結果卻相反，金屬變得更強，抵抗變形。」
這一發現與直覺相悖，並使人們意識到，若想設計適合極端條件的材料，就需要遠離傳統知識。標準的冶金規則認為熱量能促進原子運動，使金屬在正常條件下更具可塑性和易於重塑。然而，這一可預測的行為在超高速變形過程中會崩潰，這一過程僅在微秒的一部分時間內發生。為了發現這一點，研究團隊並未使用錘子，而是使用了一種專門的微型彈道裝置，以每秒數百米的速度將微小顆粒發射到金屬表面。這些衝擊是如此猛烈，以至於在一秒內將金屬拉伸到其原始長度的1億百分比。
舒赫表示：「在汽車碰撞所需的幾秒鐘內，我們可以進行將近十億次這樣的實驗。這比眨眼的速度快了1,000倍。」這項研究突顯了根據成分行為的明顯分歧。當溫度接近155°C時，純金屬如鎳和金顯示出異常的硬化，而稍微合金化的版本則遵循傳統的「熱則軟」規則。
那麼，為什麼「熱則軟」的規則會失效？答案在於原子的運動。這一現象是由原子振動驅動的，這些振動充當微觀防禦機制。在超高速衝擊中，金屬的原子振動如此劇烈，以至於這些振動物理上阻礙了變形的路徑，抵抗即將到來的力量。隨著溫度上升，這些振動加劇，形成一種更混亂、更具抵抗力的屏障，矛盾地使金屬表面在高速應力下變得更堅硬。
舒赫指出：「如果我們非常快速地撞擊純金屬，我們要求原子以比它們真正想要的更快的速度運動，因此它們會抵抗並反擊。這就是它們強度的來源。」不過，這種超強度僅存在於純金屬中。研究團隊發現，若添加僅0.3%的其他元素（類似於將碳添加到鐵中以製造鋼），則會完全消除這一效應。在合金中，雜質則像是障礙物，熱量幫助金屬克服這些障礙。要獲得硬化效益，金屬必須是未受污染的。通過將純度視為設計參數，工程師們現在可以開發在最嚴酷環境中蓬勃發展的材料，例如高超音速飛行和外星建設。這一轉變使得反應式防禦系統成為可能，例如衛星外殼故意加熱以抵抗進入的微隕石衝擊。
