研究人员创造了第一个熵稳定的复合氧化物合金
立即释放
来自北卡罗莱纳州立大学和杜克大学的研究人员创造了第一个包含氧化物的熵稳定合金，并最终证明了材料的晶体结构可以通过原子尺度上的无序而不是化学键来确定。
“自2007年以来，高熵材料的研究一直是一个热门领域，但没有人报告说，这些材料的独特结构确实仅通过构型无序来稳定——也没有人利用金属以外的任何东西创造出一种熵稳定材料，”乔恩-保罗·玛丽亚说，他是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程的教授，也是一篇关于这项新发现的论文的通讯作者。
玛丽亚说：“虽然熵的影响存在于自然界，例如，地球地壳中最常见的矿物之一长石中的金属离子排列，但仅凭熵稳定下来的晶体固体并非自然存在。”我们想知道是否有可能用熵来稳定氧化物，以及我们是否能证明它。两人的回答都是肯定的。之所以选择氧化物进行这项研究，是因为它们使我们能够直接测试这个熵问题。”
高熵合金是由大约等量的四种或四种以上元素组成的材料。更重要的是，这些元素在原子尺度上是随机分布的。近年来，由于它们具有显著的特性，因此受到了广泛的关注。但是要了解熵稳定合金，你必须了解材料的晶体结构。
一种材料的晶体结构是由原子的重复排列组成的，这种排列可以因材料而异。这种排列方式被称为晶体的“晶格型”。例如，把一个晶体的原子排列成一系列的立方体。在含有多种原子类型的传统材料中，原子的排列是有规则和有序的。沿着其中一条立方体边，原子会遵循一个有规律的重复模式。在熵稳定物质中，相对排列是完全随机的。
通过向一个晶体中添加越来越多不同的原子类型，如果晶格上的原子排列仍然是随机的，就可以产生越来越多的无序。找到能保持这种随机混合状态的原子的正确组合是熵稳定和检验熵问题的关键。
在这种情况下，研究人员创造了一种由五种不同的氧化物组成的熵稳定材料，这五种氧化物的含量大致相同:氧化镁、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化锌。这些材料以粉末的形式混合，压成小颗粒，然后在1000摄氏度下热处理几天，以促进反应和混合。
研究人员随后使用高级光子源在阿贡国家实验室X射线荧光光谱确定熵稳定氧化物中的组成原子均匀分布，它们在晶格结构中的位置是随机的。
“光谱学告诉我们，熵稳定氧化物结构中的每一个单位细胞都有适当的原子分布，但每个原子在单位细胞中的位置是随机的，”玛丽亚说进行这种测定是非常困难的，需要先进的光子源提供最先进的表征工具。
“这很有趣——我们已经证明你可以创造出物质的全新晶体相——但这是基础研究，”Maria说。“需要做大量的额外工作来表征这些材料的性能和潜在的应用可能是什么。
“然而，这项工作确实告诉我们，我们将能够以不同寻常的方式设计新材料——这对于开发具有理想性能的材料是非常有希望的。”
报纸上说熵稳定氧化物的文章于9月29日在网上发表自然通讯. 本文的主要作者是北卡罗来纳州博士。学生克里斯蒂娜·罗斯特。论文由北卡罗来纳州的爱德华·萨切特、特伦特·博曼、阿里·莫巴莱格、伊丽莎白·迪基、董厚和雅各布·琼斯合著；还有杜克大学的Stefano Curtarolo。
这项研究得到了美国陆军研究办公室资助的W911NF-14-085和国家科学基金资助号EEC 1156762的支持。
-船夫-
编辑注意：研究摘要如下。
“熵稳定氧化物”
作者: Christina M. Rost, Edward Sachet, Trent Borman, Ali Moballegh, Elizabeth C. Dickey, Dong Hou, Jacob L. Jones, and Jon-Paul Maria, North Carolina State University;Stefano Curtarolo，杜克大学
出版：9月29日上线，自然通讯
内政部：10.1038/NCOMMS9485
摘要：通过在单个亚晶格中填充许多不同的阳离子，构型无序可以组成混合氧化物。这些配方促进了新的和熵稳定的晶体物质形式，其中金属阳离子以新的方式结合。在这里，通过严格的实验，一个简单的热力学模型，和一个五组分氧化物公式，我们毫无疑问地证明了熵主导了热力学景观，并驱动了多相和单相之间的可逆固态转变。在后者中，阳离子分布被证明是随机的和均匀的。这一发现证实了这样一个假设，即故意的构型紊乱提供了一种正交策略来想象和发现晶体物质的新阶段，并为属性工程提供了尚未开发的机会。
