全球第一！　清华大学建立高熵合金奈米晶体资料库

▲清华化工系副教授杨东翰（前右）与助理教授林昆翰（前左）领导的研究团队建立全球第一个高熵合金奈米晶体库。（图／清华大学提供）

图文／镜周刊

混合多种金属元素的高熵合金奈米晶体已成为创新材料的明日之星，但科学家对不同元素的调配比例、如何均匀混合仍如瞎子摸象。清华大学化工系副教授杨东翰团队创新研发出以「滴加法」来控制结晶体成长的技术，并建立全球第一个高熵合金奈米晶体资料库，如同为成千上万种组合的高熵材料订出「鸡尾酒指南」。有了它，将更能有效控制、预测并成功调配出新型高熵合金。

自清华大学材料系特聘讲座教授叶均蔚自2004年首度提出高熵合金理论以来，全球许多科学家前仆后继地投入此一新领域研究。高熵即为「高乱度」，高熵合金混合了5种以上的金属。但如何成功混合不同的金属，且如「滴血认亲」一样使之相溶，就成了科学家的大挑战。

杨东翰表示，随着研究发展的尺寸微缩技术，高熵材料也成功推进到了奈米尺度。高熵奈米晶体以其更大的表面积及更佳的催化性能，可提供几乎「无限」的组合方式。但就因为它的元素组成复杂，如何调控它们互溶、不至于产生不均匀的分相结构；及如何调控晶体的表面排列，来提升催化的性能，成为团队研究及挑战的目标。

杨东翰团队首先研究不同金属前驱物的还原速率，让有的快、有的慢的金属前驱物还原速率趋于一致，找出让它们同步互溶的关键因素，建立一套可调控且可预测的合成准则。

团队进一步研发出如同在珠核表面不断包裹珍珠质形成养珠的方法，举例来说，可以钯为晶核，再滴加铁、钴、镍、铂、铑、钌、铱等金属离子混合液到浸在还原剂中的晶核上，长出磊晶原子层。以这种方式造出的高熵合金奈米晶体，不但可以控制它的原子排列，如排成蜂巢或方阵，也可决定晶体堆叠成金字塔、立方体、或八面体等形状。

团队成员笑称，这套「晶体养成术」的灵感其实来自猫饲料。因猫咪总是更受香浓的肉泥「罐罐」吸引，而不爱干饲料。为了满足牠们，饲主常得花不少功夫把肉泥包里在干饲料上，一旦包里不均匀，还骗不过挑嘴的喵星人。在这过程中，团队成员也一步步思考出如何调配晶体的比例，及包得均匀、包出特定形状的方法。

杨东翰指出，以滴加法发展出的磊晶成长技术，经过国家同步辐射研究中心的先进光源、临场显微分析，已证实金属原子的确能均匀、一致地排列堆叠。以此方法造出的催化剂，应用于水解产氢，效率加倍，可望推进再生能源发展，为净零排放作出贡献。

在突破结构控制的技术瓶颈、掌握高熵合金「定制法」后，杨东翰团队也成功建构出全球第一个可控制晶面的高熵奈米晶体资料库，包含数十种新颖的奈米晶体，连续2年登上了顶尖国际期刊《科学前沿》（Science Advances）。

清华大学化工系助理教授林昆翰也对建构全球第一个高熵奈米晶体资料库提供助力。由林昆翰领导的理论计算团队运用电脑模拟来筛选最佳的金属组成与晶面，并预测可能产生的材料特性，为进一步的实验提供重要参考。

林昆翰指出，虽然计算模型无法考虑所有实验变因，但通过与实验团队的紧密合作，不断调整和改良模型，已可产生与实验十分相近的结果，期待未来能更进一步协助实验团队提高研究效率。

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