如果您对手机掉入熔岩中存在根深蒂固的担忧，那么您很幸运。
由杜克大学材料科学家领导的一个研究小组开发了一种方法，可以快速发现一类新型材料，这种材料具有很强的耐热性和电子耐受性，可以使设备在数千华氏度以上的类似熔岩的温度下运行。
这些材料比钢更硬，并且在化学腐蚀环境中稳定，还可以成为新型耐磨和耐腐蚀涂层、热电材料、电池、催化剂和抗辐射设备的基础。
这些材料(使用过渡金属碳氮化物或硼化物制成的陶瓷)的配方是通过一种称为无序熵熵描述符(DEED)的新计算方法发现的。在首次演示中，该项目预测了 900 种高性能材料新配方的可合成性，其中 17 种随后在实验室进行了测试并成功生产。
研究结果于 1 月 3 日在线发表在《自然》杂志上，其中包括宾夕法尼亚州立大学、密苏里科技大学、北卡罗来纳州立大学和纽约州立大学布法罗分校合作者的贡献。
杜克大学机械工程和材料科学学院杰出教授 Stefano Curtarolo 表示：“快速发现可合成成分的能力将使研究人员能够专注于优化其颠覆行业的特性。”
Curtarolo 团队维护杜克大学自动流材料数据库 (AFLOW)，这是一个与许多材料优化在线工具相连的巨大材料属性数据库。这些丰富的信息使算法能够准确预测未探索的混合物的特性，而无需尝试模拟原子动力学的复杂性或在实验室中制造它们。
在过去的几年里，Curtarolo 小组一直致力于开发“高熵”材料的预测能力，这些材料从混沌的原子混合物中获得增强的稳定性，而不是仅仅依赖于传统材料的有序原子结构。2018 年，他们发现了高熵碳化物，这是一种更简单的特殊情况。
“高熵碳化物都具有相对均匀的焓，因此我们可以忽略方程的一部分，”库塔罗洛说。“但为了预测其他过渡金属的新陶瓷配方，我们必须解决焓问题。”
为了更好地理解此应用中的熵和焓的概念，请想象一个 10 岁的孩子试图用一大堆乐高积木建造一个狗屋。即使构建块的类型有限，也会有许多可能的设计结果。
简而言之，焓是衡量每种设计坚固程度的指标，而熵是衡量具有相似强度的可能设计数量的指标。第一个促进有序配置，就像说明书中可能找到的配置一样。后者捕捉到了当孩子将更多的时间和精力投入到日益令人困惑的建造工作中时，不可避免地会发生的混乱。两者都是最终产品吸收的能量和热量的衡量标准。
“为了快速量化焓和熵，我们必须计算我们可能创造的数十万种不同成分组合中所包含的能量，而不是我们正在寻找的陶瓷，”库塔罗洛说。“这是一项艰巨的任务。”
除了预测稳定无序陶瓷的新配方外，DEED 还有助于指导进一步分析以发现其固有特性。为了找到适合各种应用的最佳陶瓷，研究人员需要完善这些计算并在实验室中对其进行物理测试。
DEED 专门针对一种称为热压烧结的生产方法量身定制。这包括将成分化合物制成粉末状，并在真空中将其加热至高达 4000 华氏度，同时施加压力长达几个小时。从所有的准备、反应到冷却时间，整个过程需要八个多小时。
“合成的最后一步称为放电等离子烧结，是材料科学中的一种新兴方法，在研究实验室中很常见，”密苏里科技大学陶瓷工程策展人杰出教授 William Fahrenholtz 说。
成品陶瓷具有金属外观，呈深灰色或黑色。它们摸起来像不锈钢等金属合金，并且具有相似的密度，但外观要暗得多。尽管它们看起来是金属的，但它们像传统陶瓷一样又硬又脆。
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