炼出前所未见的合金

冶金配方数千年不变

世界上最古老的沉船残骸位于土耳其南部海岸附近的海底，它在此已经沉睡了3500年。船上的货物并没有金银财宝，而是9吨铜和1吨锡。如果你凑巧知道青铜的冶炼配方，你就知道这船货物的用途了。青铜就是按照铜和锡9:1的比例炼造的。3500年前正是西方青铜时代的中期，而青铜器最早已于6000年前出现。
时至今日，科技飞速发展，但人们冶金的基本配方仍未改变：以某种纯金属为主，加入少量其他元素，使得合金的某些性能得到强化，如青铜和钢铁。钢铁是现代社会的主导材料，从飞机到建筑，从武器到指甲剪，钢铁制品无处不在，但它的冶金配方基本沿用了它在公元前13世纪出现时就采用的方式：铁与少量的碳、硅、锰、磷、硫等元素合成。
我们为什么需要把纯金属冶炼成合金呢？因为合金更加坚硬。纯金属中的原子层可以轻易地相互穿梭，从而表现出柔软的特性。如果有其他元素的原子介入，原有的原子层受到干扰，原子间的穿梭被阻断，金属的性质就表现得更加坚硬。
但材料有一个规律，一般而言，硬度越高，脆性越强，试想木碗和瓷碗的不同。如果在纯金属中加入的其他元素过多，制成的合金虽然硬度增加了，但也变得不耐碰撞。于是冶金技术的基本配方原则就这样被限定了。
以如今日新月异的高新技术能力，难道数千年前的传统冶金配方都无法被突破吗？究竟瓶颈在哪？

冶金异端：越乱越好

异端终于来了。1995年，中国台湾清华大学材料学教授叶均蔚引入“熵”的概念，为冶金配方提供了一条新思路。“熵”在热力学中用来表示系统混乱的程度，熵越高，系统越无序。根据热力学第二定律可以得知，状态越混乱，即熵越高，系统的性质越稳定。在冶金配方上，如果不再以某种纯金属为主，而是等量混入五种、六种甚至更多种元素，这堆混合物将变得非常无序，同时也会非常稳定，表现为较高的硬度和强度。
叶均蔚根据这一设想，带领他的研究团队在一周之内制成了第一种高熵合金，一年之内，他们又陆续制造了40多种合金。这些高熵合金不负众望，具有高硬度、高强度并抗腐蚀的特点。
但问题在于，就连研究者本人也无法理解其内部结构，因为这是全新的合金制造方法，没有任何既存数据或理论来作为依据。于是，叶均蔚又花了8年时间系统地制造高熵合金，有规则地一点一点地改变元素间的配比，再观察并记录数据。2004年，叶均蔚将自己的研究公之于众，他成为高熵合金的开山之人。越来越多的材料专家开始进入高熵合金的研究领域。
在澳大利亚的悉尼大学，科学家们研制出了高熵版本的青铜和黄铜。传统的青铜和黄铜被应用在我们的生活各处，如硬币、水龙头。这两种合金中的主要成份是铜，造价较高。高熵版本的青铜和黄铜则用较便宜的镍、锰、锌、铝取代了大部分的铜，并且性能更佳：坚硬、强韧、抗腐蚀。这个科学家团队已经与瑞士一家合金制造商签订协议，提供这种高熵合金技术，为工业机器和汽车发动机生产超级耐磨的黄铜部件。这是高熵合金首次实现商业生产。

超低温合金关住核聚变

材料性质有另一个普遍现象：温度越低，脆性越大。很多金属在温度低至某个临界点时，脆性会突然增加，这被称为“低温冷脆”，例如普通碳钢在-50℃以下就不能正常使用了。但是在制造高熵合金的过程中，有科学家发现一种由铁、锰、镍、钴和铬组成的高熵合金恰恰相反，在-200℃以上时，温度越低，其脆性越低。
这正是实现核聚变反应所需的材料。核聚变反应是原子核相互碰撞聚合而释放巨大能量的过程，太阳就是通过氢核聚变反应产生能量的。如果人类能够实现氢核聚变供能，将是另一次世界能源革命，氢能源清洁、原料丰富，可直接取自海水，而且比像原子弹爆炸那样的热核裂变反应安全。但目前人类只实现了不受控制的核聚变，如氢弹爆炸，或者小型核聚变。要实现商业核聚变，必须能够控制反应的速度和规模，使其平稳、持续地输出能量。
目前受控核聚变遇到的难点之一是工程学上的。要达到核聚变的点火条件，需要为核聚变内部提供超过1亿摄氏度的高温，同时需要一个约束体来约束核聚变产生的能量，以便这能量平稳、持续地使用。就像你在炉子上点火，炉子要足够耐热，能让火持续燃烧，而不是把炉子烧掉甚至炸掉了。目前的主流方案是通过超导电磁体来约束，因为磁场可以约束电子，而核聚变产生的能量实际上是大量带电粒子。为保证超导体实现0阻力，即最佳超导状态，必须将超导体的温度控制在绝对零度（-273.15℃）附近，如何建设内部1亿摄氏度与墙体绝对零度同时并存的“炉子”，这就是工程上的巨大难题。其中一点就是，在超低温下，低温冷脆现象会使超导体材料破裂毁损。如今，新出现的高熵合金打破了材料温度越低、脆性越大的魔咒，反其道而行之，使核聚变超导电磁体的材料难题有望解决。

未来的高科技宠儿

除了核聚变这个大课题，现代科技的许多领域都存在着急待解决的材料难题。其中之一就是转变废热的材料，这项科技可用于减少汽车废热，或降低笔记本电脑芯片的温度。这需要材料同时具备优异的导电性能和很差的导热性能。导热性能不好，就会使材料的一侧是高温时，另一侧不受热传导，仍能保持低温，通过这样的温差发电效应，自发地产生电流，这被称为“热电现象”。因此，一种导电好导热差的材料可以使自身的废热轻松转变为电能。
但是，一般而言，材料的高导电性总是伴随着高导热性，比如铜和铁。如何解决这个问题？高熵合金派上了用场。
优良的导电性需要自由电子多，在电压下就可以形成电流；而导热性的好坏则取决于材料内部结构，因为材料发热在微观上表现为粒子的高速振动，一个粒子带动旁边的粒子振动就是热的传导，如果材料的杂质少、结构规则、振动频率一致，导热就快。对于以一种纯金属为主的传统合金如铜线、钢丝来说，高导电性必然会伴随着高导热性。而高熵合金因为是由多种元素混合而成，多种原子错综复杂地交织在一起，导热性能较差，但自由电子数量并没有多少改变，所以能成为导电好且导热差的转变废热的材料。
美国空军也有特殊的材料需求。他们希望飞机喷气发动机中的涡轮前温度（推动涡轮旋转的空气温度）更高，涡轮前高温就意味着高效率。这样一来，发动机的制造材料就必须能承受更高的温度。目前美国空军的飞机发动机合金以镍金属为主体，熔点是1455℃。在元素周期表中间的元素群，如钼、铌的熔点可达2500℃，但这两种金属的腐蚀速度太快，无法使用纯金属，需要混合其他元素来弥补这一缺陷。目前，美国空军已经初步制成了混入这两种金属的高熵合金，熔点已经超过了原本的镍合金，但腐蚀性还有待测试。
除了探索高熵合金的物理特性，研究者同时在挖掘它的化学特性，正在实施的项目之一就是研制高效廉价的金属催化剂。金属催化剂常常由金属、尤其是贵金属制得，如金、铂（白金）和钯。如果利用高熵合金的制造方法，可以把一大堆其他元素与较少的贵金属混合冶炼，使合金催化剂性能更加出色的同时，造价大幅降低，这样的催化剂必定成为市场的宠儿。
化学家们对高熵合金的期望还不止于此。他们已经花了几十年时间研究如何制造一种能模拟光合作用的催化剂，用以从水中分离出氢燃料，但研究成果一直乏善可陈。如今，高熵合金成为他们新的希望。

缺失的“藏宝图”

虽然高熵合金为许多领域的材料更新提供了新的希望，但实际上到现在为止，研究者还只是触及这一研究领域的表面，没有足够多的数据帮助研究者预期合金的变化，当有人提出一项材料的性能需求时，研究者们并不能准确知道通过哪几种组合实现这种性能，已有的成果可以说有点撞大运。
这是一个令人望而生畏的研究领域，想像一下，在常用的大约60种元素中，如果每次选取5种相同比例的元素混合，就会产生1040种组合；如果让每种元素的比例增加或减少5%，再依次重新搭配，就会产生10120个组合。何况其中一些原料难以获得或者非常昂贵，因此目前实在是无法制造和测试这么多合金。没有实验数据，就没有理论框架，高熵合金的制造缺失了一张“藏宝图”，未来的研究将任重而道远。