作者詹姆斯·巴丹姆，加州大学圣巴巴拉分校 模糊多主元素合金中原子物种的多数和少数群体之间的界限(右)导致了崎岖的原子景观，为缺陷开辟了新的途径
信用:加州大学圣巴巴拉分校 人类文明最显著的进步是以人类使用的材料的进步为标志的
石器时代让位于青铜时代，而青铜时代又让位于铁器时代
新材料颠覆了当时的技术，改善了生活和人类状况
现代技术同样可以直接追溯到制造它们的材料的创新，例如在计算机芯片中使用硅和支撑基础设施的最先进的钢材
然而，几个世纪以来，材料和合金的设计一直依赖于基础元素或主要元素的使用，在基础元素或主要元素中加入少量其他元素
以钢为例，在钢中，微量的碳加入到主要元素铁中，可以改善钢的性能
当加入少量其他元素时，可以对钢进行调整，例如，增强耐腐蚀性或提高强度
追溯到2004年提出的一个想法，过去几年见证了合金设计新范例的出现，其中三种或更多元素以大致相等的比例混合
这些材料被称为多主元素合金，或者通常被称为这些合金的子集，被称为高熵合金，它们模糊了大多数元素和少数元素之间的区别
这种更完美的原子伴侣的结合构成了集体材料，展示了令人兴奋的特性，使它们比传统的同类表现得更好
加州大学圣巴巴拉分校的一组研究人员——包括材料教授丹·贾诺拉、特蕾萨·波洛克和艾琳·拜尔林以及博士后研究员王扶林——和他们的合著者在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中写道:“其中一些材料表现出强度、延展性和损伤容限的非凡组合。”
“难熔合金[由元素周期表中的九种金属元素组成，具有很高的耐热性和耐磨性]是在与许多技术应用相关的极高温度下使用的有吸引力的候选材料
" 最早于2010年制造的耐熔金属粉末涂料推动了耐熔金属粉末涂料的发展
但是使用多种合金几乎无限地增加了可能的合金配方的数量
可以实现的组合数量之多，为使用先进的计算筛选和机器学习来确定具有最有趣和最理想特性的材料子集奠定了基础
澳大利亚悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院的朱莉·凯尔内教授在一篇配套文章中写道:“要想让这些方法获得成功，关键是合金设计过程要以对所需特定性能起源的理解为指导。”
在他们的科学论文中，美国肯塔基州大学的UCSB团队和同事
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海军研究实验室和美国海军
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空军研究实验室提出了一种方法来提高预测哪些合金可能具有有价值的性能
这些特性中最主要的是合金的变形能力，即
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模制或弯曲，不开裂，并在极端环境(如飞机机翼、火箭发动机和工业涡轮机)中的过度载荷和高温下保持其材料完整性
“在原子层面上，由于原子的运动，材料会变形或改变形状，”实验室的博士后王(音译)解释说
金属的晶体结构是由堆叠的原子平面组成的，这些原子被组织成高度规则的网格
当金属变形时，原子在网格上相互移动或滑动
原子运动和不运动区域的分界线叫做位错
因此，位错的性质，包括它们移动的难易程度和位置，对材料的变形行为变得非常重要
尽管多相萃取合金有诸多优点，但其设计进展缓慢
虽然传统的试错法效率不高，但从2017年开始，更多的研究工作致力于发展理论，试图找出特定合金具有理想性能的潜在原因
“但是，”王说，“缺乏实验证据来说明这个理论的一些关键要素
当我开始从事这个项目时，我眼前的问题是，与传统合金相比，MPEAs有什么特别之处？因为我们对机械性能感兴趣，所以我们关注位错
" 在这项研究中，研究人员使用电子显微镜来研究位错的结构，并揭示了模型合金中产生理想特性的机理
结合艾琳·贝耶林团队的原子模拟，他们发现不同元素的随机场开启了位错运动的多种途径，这是传统合金所没有的特征
“对于传统的位错，在位错上打破原子键的力是单值的，因为所有的原子都是一样的，”贝耶林说
“对于多能级位错，这个力不能确定
多能级位错的结构被重新定义，因为它试图在随机变化的原子环境中移动
“通过我们的原子计算，我们采取了意料之外的方法，不仅探索了通常的模式，还探索了迄今为止文献中通常忽略的其他更高的滑移模式，”她补充道
“我们还进行了数千次计算，揭示了这种临界位错力的变化范围有多大，以及其他更高的滑移模式有多有利
" 这项研究是由波洛克领导、海军研究办公室资助的一个更大的合作项目的一部分
edu，也包括UCSB研究人员卡洛斯·列维和安东·范德Ven，旨在获得关于如何最好地探索巨大的耐火合金空间的基本见解
“虽然成分复杂的合金一直是我们感兴趣的，但探索大成分空间的进展一直很缓慢，”波洛克说
“通过MPE项目，我们聚集了一个团队，他们使用新兴的计算、机器学习和实验工具，使我们能够发现新的行为并快速探索新的组成领域
感兴趣的耐火材料的非常高的熔点使得它们在过去很难制造和研究，但是我们的新方法，结合三维印刷的可能性，完全改变了景观
" “这项工作象征着实验、模拟和理论相结合的真正力量，”贾诺拉说
“许多研究人员口头上支持这种协同作用，但如果没有实验组和模拟组之间的不断交流，这项研究不可能走得那么远
未来看起来非常光明
"
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