《Matter》：打破传统极限的颠覆性纳米制造技术！

“到现在为止《Matter》期刊仅发表了7篇归类于最高级别的“材料前沿进展”Material Advancement Progression (MAP)的文章：Discovery, 这篇工作《Unconventional alloys confined in nanoparticles: building blocks for new matter》正是其中之一。”

论文链接：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30385-4

高熵合金的出现代表了向新颖材料研究的范式转变。它们的优异性能通常认为与熵最大化时的单相固溶体有关。但实际上，单纯混合熵的作用往往不足以驱动合金化，目前最主要的难题是：1）创制一种混合态并将其最终转化成稳定的合金相中；2）不混溶元素体系的正值混合焓阻滞热力学稳定的均相混合；3）奇异合金的深纳尺度增材制造（又称3D打印）。

解决些难题，作者通过利用微妙级别震荡的“人工闪电”蒸发母体材料，然后充分混合蒸气云，并通过蒸气-晶体直接转化的路径(Vapor-crystal transformation)，淬灭为纳尺度下稳定的奇异合金，并将其作为构建块打印成3D纳米结构阵列。

图1 微妙震荡火花放电混合多元素蒸气云并直接淬灭为对应的组分可控的奇异合金颗粒

图2 “光锥”混溶图及其纳米尺寸效应（蓝色双曲线）。光锥混溶图是针对于块体材料，包含在光锥边界内部的材料，与“观察者”材料（这里是金）完全混溶，在边界上的材料，与观察者材料的混合焓约为0。纳米尺寸效应对应的蓝色双曲线修改了混溶限制，且可通过减小尺寸（扩大双曲线的疆域）继续增大材料的混溶性。

图3 不混溶材料形成的二元合金而对应的临界尺寸，前提是必须利用“火花混合”Spark mashup充分混合对应的蒸气云。

对于二元不互溶体系的合金颗粒只要低于临界尺寸，任何比例都可形成稳定的合金结构。该纳米尺寸效应给予了混合熵令人惊讶的超大增强因子，使二元合金的混合熵等同于25元块体合金的混合熵。该发现与“越小越不稳定”和“在纳米颗粒中混合多种元素更为困难”的传统趋势相矛盾。另一有趣发现是，这种对混合熵的尺寸效应关系与霍金Hawking温度与黑洞（称为理想混合器）的尺寸之间的关系极为相似。这些新发现指明了未来高熵合金等奇异合金的全新前沿探索，赋予金属材料领域新内涵。

图4 打印的3D合金纳米结构阵列，从二元到高熵合金，包含前所未有的新型合金家族，为深纳尺度增材制造技术、冶金、光学、超材料等提供无限的前所未有的可能性

在应用方面，将高熵合金纳米颗粒作为构建块，用一项全新的“法拉第3D打印技术”制造纳米结构阵列，该打印技术巧妙将电场线转化成了描画纳尺度3D物体的工具，与200年前法拉第用铅笔创绘电场线是逆反的过程。打印的多种多样的高熵合金3D纳米结构（纳米花、纳米柱阵列）有望诞生迄今为止不存在的物质性能：结构中紧密排列的超细微晶及其栾晶特性，有望解决导电性和机械强度不可兼得的矛盾，因此在微纳器件等领域有核心竞争优势；创制的合金颗粒也展示了在MOR, EOR和FAOR中的卓越催化性能。该系统性的工作提出了创制奇异合金的突破性概念，发明了创制任何合金的通用方法，解决了传统冶金和增材制造中的重大技术难题，指出了高熵合金和奇异合金的前沿研究方向，为发现新物质、打印新结构、探索新性能趟出了一条特殊的有效途径。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。