杜克大学(Duke University)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的材料科学家发现了一类新的碳化物，预计它是目前存在的熔点最高、最硬的材料之一。这种由廉价金属制成的新材料可能很快就会在从机械、五金到航空航天等广泛的工业中得到应用。
碳化物传统上是由碳和另一种元素组成的化合物。当与钛或钨等金属搭配时，产生的材料非常坚硬，很难熔化。这使碳化物成为理想的应用，如涂层的切削工具或航天飞机部件的表面。
含有三个或更多个元素的少量复合碳化物也存在，但在实验室或工业应用之外通常不一定。这主要是由于确定哪些组合可以形成稳定结构的困难，更不用说具有所需的性质。
杜克大学(Duke University)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的一组材料科学家宣布，他们发现了一类新的碳化物，可以将碳与五种不同的金属元素同时结合。研究结果发表在11月27日的《科学》杂志网络版上自然通讯．
杜克大学(Duke University)的研究人员通过计算预测了这些材料的存在，并在加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)成功合成了这些材料。
杜克大学机械工程和材料科学教授Stefano Curtarolo说:“这些材料比目前的碳化物更硬，重量更轻。”“它们也有很高的熔点，由相对便宜的材料混合物制成。这些特性的结合应该会使它们在广泛的行业中非常有用。”
当学生们学习分子结构时，他们会看到像盐一样的晶体，就像一个三维棋盘。这些材料通过有规律、有序的原子键获得稳定性和强度，这些原子就像拼图的碎片一样拼在一起。
然而，晶体结构中的缺陷常常可以增加材料的强度。例如，如果裂缝开始沿着分子键线传播，一组错位的结构就会阻止裂缝的传播。通过制造完美的无序来强化固体金属是通过加热和淬火的过程来实现的，这一过程被称为退火。
新型五金属碳化物将这一想法提升到了一个新的水平。这些材料不再依赖于晶体结构和键的稳定性，而是完全依赖于无序。虽然一堆棒球不会自己站起来，但一堆棒球、鞋子、球棒、帽子和手套就可能站起来。
困难在于预测哪一种组合将站稳脚跟。尝试制造新材料既昂贵又费时。通过第一原理模拟计算原子间的相互作用更是如此。由于有5个金属元素的插槽和91个可供选择的选项，潜在食谱的数量很快就变得令人生畏。
“为了弄清楚哪种组合可以很好地混合，你必须做一个基于熵的光谱分析，”科塔罗洛实验室的博士后助理、该论文的第一批作者之一普拉纳布·萨克(Pranab Sarker)说。“通过逐个原子建立模型来计算熵是非常耗时和困难的。所以我们尝试了不同的方法。”
研究小组首先将原料范围缩小到八种已知的金属，它们可以制造出具有高硬度和熔化温度的碳化物。然后，他们计算了一个潜在的五金属碳化物形成一组大的随机配置需要多少能量。
如果结果分散得很远，这表明组合可能会倾向于单一的配置，然后分崩离析——就像混合中有太多的棒球一样。但如果有许多结构紧密地聚集在一起，这表明材料可能会同时形成许多不同的结构，提供结构稳定所需的无序。
随后，研究小组请加州大学圣地亚哥分校的纳米工程学教授肯尼斯·维奇奥(Kenneth Vecchio)尝试制造其中9种化合物，以验证其理论。这是通过将每一份配方中的元素混合成精细的粉末，在高达4000华氏度的温度下挤压它们，并直接用2000安培的电流通过它们来实现的。
“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、论文第一作者之一泰勒·哈林顿(Tyler Harrington)说。“它们的性能不同于我们处理过的任何材料，即使是传统的碳化物。”
他们选择了系统认为最有可能形成稳定材料的三种配方，最不可能的两种，以及介于两者之间的四种随机组合。正如预测的那样，三个最有可能的候选人成功了，而两个最不可能的候选人则失败了。四个中间得分者中的三个也形成了稳定的结构。虽然新的碳化物都可能具有理想的工业性能，但有一种不太可能的组合脱颖而出——钼、铌、钽、钒和钨的组合，简称为MoNbTaVWC5。
“把这组元素组合起来，基本上就像把一堆正方形和六边形挤在一起，”科塔罗洛实验室的助理研究教授科马克·托赫(Cormac Toher)说。“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。”
Curtarolo说:“我们还不知道它的确切属性，因为它还没有经过全面测试。”“但一旦我们在接下来的几个月里把它送到实验室，如果它被证明是有史以来最坚硬、熔点最高的材料，我也不会感到惊讶。”
Vecchio说:“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的范式变化影响。”“我们使用创新的方法进行第一性原理建模，并结合最先进的合成和表征工具，提供先进材料发现所必需的集成‘闭环’方法。”
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