无序材料可能是最难耐热的碳化物

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种新的碳化物，有望成为熔点最高的材料之一。这种新材料由廉价金属制成，很快将用于从机械、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。当与钛或钨等金属配对时，产生的材料非常坚硬，难以熔化。这使得碳化物非常适合涂覆切割工具表面或航天器部件。

也有少量含三种或三种以上元素的复合碳化物，但在实验室外或工业应用中并不常见。这主要是因为很难确定哪种组合能形成稳定的结构，更不用说具备所需的性质了。

来自杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的材料科学家团队现在宣布发现了一种新型碳化物，这种碳化物可以同时将碳与五种不同的金属元素结合在一起。该结果于11月27日在线发表在《自然通讯》上。

为了从混乱的原子混合物而不是有序的原子结构中实现稳定性，杜克大学的研究人员通过计算预测了这些材料的存在，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更轻，”杜克大学机械工程和材料科学教授Stefano Curtarolo说。“它们还有很高的熔点，由相对便宜的混合材料制成。这种属性组合应该会使它们对各种行业非常有用。”

当学生理解分子结构时，他们会看到像盐一样的晶体，类似于3D棋盘。这些材料通过规则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，如果一条裂纹开始沿着分子键线扩展，一组错位的结构可以阻止它沿轨道扩展。固体金属的硬化是通过加热和淬火过程产生大量的无序来实现的，这一过程称为退火。

新一代的五金属碳化物将这个概念提升到了一个新的高度。抛弃任何依赖于晶体结构和化学键的稳定性，这些材料完全依赖于无序。虽然一堆棒球不能独立存在，但是一堆棒球，鞋子，球棒，帽子，手套都是可以的。

困难在于预测哪种元素组合将是牢固的。尝试制造新材料既昂贵又耗时。对于原子相互作用的第一原理模拟来说尤其如此。有5个金属元素槽和91个可供选择的槽，潜在公式的数量很快变得令人生畏。

“为了找出哪种组合可以很好地混合，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，他是该论文的第一作者之一。“通过一个原子一个原子地建立模型，熵是非常耗时且难以计算的。所以我们尝试了不同的东西。”

该小组首先将成分范围缩小到八种金属，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构型所需的能量。

如果结果相差很远，则表明该组合可能有利于单一配置并分崩离析——例如，组合中有太多棒球。但是，如果许多构型紧密地堆积在一起，则表明这些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。

然后，该小组让加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授肯尼斯韦奇奥尝试实际生产九种化合物，以此来测试其理论。这是通过将每种配方中的元素以细粉的形式组合起来，在高达4000华氏度的温度下压制它们，并让2000安培的电流直接通过它们来完成的。

“学习处理这些材料是一项艰巨的任务，”韦基奥实验室的博士生、论文的第一作者之一泰勒哈灵顿说。"它们的性能不同于我们处理过的任何材料，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个配方，两个最不可能的配方，以及两个随机组合。正如预测的，三个最有可能的候选人成功，两个最不可能的候选人不是四个中间得分手中的三个，也形成了稳定的结构。虽然新的碳化物可能具有理想的工业特性，但一种不可能的组合脱颖而出——钼、铌、钽、钒和钨的组合，简称MoNbTaVWC5。

Curtarolo实验室的助理研究教授科尔马克托赫尔(Cormac Toher)说，“结合这些元素就像试图将一堆正方形和六边形挤在一起。”“单凭直觉，你永远不会认为这种组合是可行的。但事实证明，最佳人选实际上是违反直觉的。”

“我们还不知道它的确切特征，因为它还没有经过充分的测试，”Curtarolo说。“但一旦我们在未来几个月进入实验室，如果它成为有史以来熔点最高的最硬材料，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性和潜在范式变化的影响，”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，以提供先进材料发现所需的集成“闭环”方法。

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