杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料科学家发现了一类新的碳化物，这些碳化物有望成为熔点最高的材料之一。新材料由廉价金属制成，很快就可以用于从机械和硬件到航空航天的各种行业。
碳化物传统上是由碳和另一种元素组成的化合物。当与诸如钛或钨的金属配对时，所得材料极硬且难以熔化。这使得碳化物非常适用于涂覆切削工具表面或航天器部件的应用。
还存在少量含有三种或更多种元素的复合碳化物，但在实验室外或工业应用中不常见。这主要是由于难以确定哪种组合可以形成稳定的结构，更不用说具有所需的性质。
杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料科学家团队现已宣布发现一种新型碳化物，它们可同时将碳与五种不同的金属元素结合在一起。结果于11月27日在线发表在Nature Communications杂志上。
从他们的原子的混乱混合物而不是有序的原子结构实现稳定性，这些材料在计算上预测由杜克大学的研究人员存在，然后在加州大学圣地亚哥分校成功合成。
“这些材料比现有的碳化物更硬，重量更轻，”杜克大学机械工程和材料科学教授Stefano Curtarolo说。“它们还具有非常高的熔点，并且由相对便宜的材料混合物制成。这种属性的组合应该使它们对各种行业都非常有用。”
当学生了解分子结构时，他们会看到像盐一样的晶体，类似于3D棋盘格。这些材料通过规则的，有序的原子键获得稳定性和强度，其中原子像拼图一样拼凑在一起。
然而，晶体结构中的缺陷通常会增加材料的强度。例如，如果裂缝开始沿着分子键线传播，则一组未对准的结构可以使其在其轨道中停止。通过称为退火的加热和淬火过程来实现通过产生完美量的无序来硬化固体金属。
新一代五金属碳化物将这一理念提升到了一个新的水平。抛弃任何依赖于晶体结构和键的稳定性，这些材料完全依赖于无序。虽然一堆棒球不能单独站立，但一堆棒球，鞋子，蝙蝠，帽子和手套都可能。
困难在于预测哪些元素组合将坚定不移。试图制造新材料既昂贵又耗时。通过第一原理模拟计算原子相互作用更是如此。有五个用于金属元素的插槽和91个可供选择的插槽，潜在配方的数量很快就变得令人生畏。
“为了找出哪种组合能很好地混合，你必须根据熵进行光谱分析，”Curtarolo实验室的博士后助理Pranab Sarker说道，他是该论文的第一批作者之一。“通过逐个原子构建模型，熵是非常耗时且难以计算的。所以我们尝试了不同的东西。”
该团队首先将成分领域缩小为八种金属，这些金属已知会产生具有高硬度和熔化温度的碳化物化合物。然后，他们计算了潜在的五金属碳化物形成大量随机配置所需的能量。
如果结果相距甚远，则表明该组合可能有利于单一配置并且分崩离析 - 比如混合中有太多棒球。但如果有许多配置紧紧地聚集在一起，则表明材料可能同时形成许多不同的结构，从而提供结构稳定性所需的无序。
该小组随后通过让加州大学圣地亚哥分校的NanoEngineering教授Kenneth Vecchio试图实际生产九种化合物来测试其理论。这是通过将每个配方中的元素以精细粉末形式组合，在高达4,000华氏度的温度下压制它们并且直接通过它们运行2000安培的电流来完成的。
“学习处理这些材料是一项艰巨的任务，”Vecchio实验室的博士生兼该论文的共同第一作者Tyler Harrington说。“它们的表现与我们曾经处理过的任何材料不同，甚至是传统的碳化物。”
他们选择了他们的系统认为最有可能形成稳定材料的三种配方，两种最不可能的配方，以及两种随机组合。正如预测的那样，三个最有可能的候选人是成功的，而两个最不可能的候选人不是四名中级得分手中的三名也形成了稳定的结构。虽然新碳化物可能具有理想的工业性能，但一种不可能的组合突出 - 钼，铌，钽，钒和钨的组合，简称为MoNbTaVWC5。
Curtarolo实验室的助理研究教授Cormac Toher说：“将这些元素组合在一起就像试图将一堆正方形和六边形挤压在一起。”“单凭直觉，你永远不会认为这种组合是可行的。但事实证明，最好的候选人实际上是违反直觉的。”
“我们还不知道它的确切特性，因为它尚未经过全面测试，”Curtarolo说。“但是一旦我们在接下来的几个月内进入实验室，如果它成为有史以来熔点最高的最坚硬的材料，我不会感到惊讶。”
“这次合作是一个研究团队，专注于展示这种新方法的独特和潜在范式变化的含义，”Vecchio说。“我们正在使用创新方法将第一原理建模与最先进的合成和表征工具相结合，以提供高级材料发现所必需的集成”闭环“方法。