煉出前所未見的合金

冶金配方數千年不變

世界上最古老的沉船殘骸位於土耳其南部海岸附近的海底，它在此已經沉睡了3500年。船上的貨物並沒有金銀財寶，而是9噸銅和1噸錫。如果你湊巧知道青銅的冶鍊配方，你就知道這船貨物的用途了。青銅就是按照銅和錫9:1的比例煉造的。3500年前正是西方青銅時代的中期，而青銅器最早已於6000年前出現。

時至今日，科技飛速發展，但人們冶金的基本配方仍未改變：以某種純金屬為主，加入少量其他元素，使得合金的某些性能得到強化，如青銅和鋼鐵。鋼鐵是現代社會的主導材料，從飛機到建築，從武器到指甲剪，鋼鐵製品無處不在，但它的冶金配方基本沿用了它在公元前13世紀出現時就採用的方式：鐵與少量的碳、硅、錳、磷、硫等元素合成。

我們為什麼需要把純金屬冶鍊成合金呢？因為合金更加堅硬。純金屬中的原子層可以輕易地相互穿梭，從而表現出柔軟的特性。如果有其他元素的原子介入，原有的原子層受到干擾，原子間的穿梭被阻斷，金屬的性質就表現得更加堅硬。

但材料有一個規律，一般而言，硬度越高，脆性越強，試想木碗和瓷碗的不同。如果在純金屬中加入的其他元素過多，製成的合金雖然硬度增加了，但也變得不耐碰撞。於是冶金技術的基本配方原則就這樣被限定了。

以如今日新月異的高新技術能力，難道數千年前的傳統冶金配方都無法被突破嗎？究竟瓶頸在哪？

冶金異端：越亂越好

異端終於來了。1995年，台灣清華大學材料學教授葉均蔚引入「熵」的概念，為冶金配方提供了一條新思路。「熵」在熱力學中用來表示系統混亂的程度，熵越高，系統越無序。根據熱力學第二定律可以得知，狀態越混亂，即熵越高，系統的性質越穩定。在冶金配方上，如果不再以某種純金屬為主，而是等量混入五種、六種甚至更多種元素，這堆混合物將變得非常無序，同時也會非常穩定，表現為較高的硬度和強度。

葉均蔚根據這一設想，帶領他的研究團隊在一周之內製成了第一種高熵合金，一年之內，他們又陸續製造了40多種合金。這些高熵合金不負眾望，具有高硬度、高強度並抗腐蝕的特點。

但問題在於，就連研究者本人也無法理解其內部結構，因為這是全新的合金製造方法，沒有任何既存數據或理論來作為依據。於是，葉均蔚又花了8年時間系統地製造高熵合金，有規則地一點一點地改變元素間的配比，再觀察並記錄數據。2004年，葉均蔚將自己的研究公之於眾，他成為高熵合金的開山之人。越來越多的材料專家開始進入高熵合金的研究領域。

在澳大利亞的悉尼大學，科學家們研製出了高熵版本的青銅和黃銅。傳統的青銅和黃銅被應用在我們的生活各處，如硬幣、水龍頭。這兩種合金中的主要成份是銅，造價較高。高熵版本的青銅和黃銅則用較便宜的鎳、錳、鋅、鋁取代了大部分的銅，並且性能更佳：堅硬、強韌、抗腐蝕。這個科學家團隊已經與瑞士一家合金製造商簽訂協議，提供這種高熵合金技術，為工業機器和汽車發動機生產超級耐磨的黃銅部件。這是高熵合金首次實現商業生產。

超低溫合金關住核聚變

材料性質有另一個普遍現象：溫度越低，脆性越大。很多金屬在溫度低至某個臨界點時，脆性會突然增加，這被稱為「低溫冷脆」，例如普通碳鋼在-50℃以下就不能正常使用了。但是在製造高熵合金的過程中，有科學家發現一種由鐵、錳、鎳、鈷和鉻組成的高熵合金恰恰相反，在-200℃以上時，溫度越低，其脆性越低。

這正是實現核聚變反應所需的材料。核聚變反應是原子核相互碰撞聚合而釋放巨大能量的過程，太陽就是通過氫核聚變反應產生能量的。如果人類能夠實現氫核聚變供能，將是另一次世界能源革命，氫能源清潔、原料豐富，可直接取自海水，而且比像原子彈爆炸那樣的熱核裂變反應安全。但目前人類只實現了不受控制的核聚變，如氫彈爆炸，或者小型核聚變。要實現商業核聚變，必須能夠控制反應的速度和規模，使其平穩、持續地輸出能量。

目前受控核聚變遇到的難點之一是工程學上的。要達到核聚變的點火條件，需要為核聚變內部提供超過1億攝氏度的高溫，同時需要一個約束體來約束核聚變產生的能量，以便這能量平穩、持續地使用。就像你在爐子上點火，爐子要足夠耐熱，能讓火持續燃燒，而不是把爐子燒掉甚至炸掉了。目前的主流方案是通過超導電磁體來約束，因為磁場可以約束電子，而核聚變產生的能量實際上是大量帶電粒子。為保證超導體實現0阻力，即最佳超導狀態，必須將超導體的溫度控制在絕對零度（-273.15℃）附近，如何建設內部1億攝氏度與牆體絕對零度同時並存的「爐子」，這就是工程上的巨大難題。其中一點就是，在超低溫下，低溫冷脆現象會使超導體材料破裂毀損。如今，新出現的高熵合金打破了材料溫度越低、脆性越大的魔咒，反其道而行之，使核聚變超導電磁體的材料難題有望解決。

未來的高科技寵兒

除了核聚變這個大課題，現代科技的許多領域都存在著急待解決的材料難題。其中之一就是轉變廢熱的材料，這項科技可用於減少汽車廢熱，或降低筆記本電腦晶元的溫度。這需要材料同時具備優異的導電性能和很差的導熱性能。導熱性能不好，就會使材料的一側是高溫時，另一側不受熱傳導，仍能保持低溫，通過這樣的溫差發電效應，自發地產生電流，這被稱為「熱電現象」。因此，一種導電好導熱差的材料可以使自身的廢熱輕鬆轉變為電能。

但是，一般而言，材料的高導電性總是伴隨著高導熱性，比如銅和鐵。如何解決這個問題？高熵合金派上了用場。

優良的導電性需要自由電子多，在電壓下就可以形成電流；而導熱性的好壞則取決於材料內部結構，因為材料發熱在微觀上表現為粒子的高速振動，一個粒子帶動旁邊的粒子振動就是熱的傳導，如果材料的雜質少、結構規則、振動頻率一致，導熱就快。對於以一種純金屬為主的傳統合金如銅線、鋼絲來說，高導電性必然會伴隨著高導熱性。而高熵合金因為是由多種元素混合而成，多種原子錯綜複雜地交織在一起，導熱性能較差，但自由電子數量並沒有多少改變，所以能成為導電好且導熱差的轉變廢熱的材料。

美國空軍也有特殊的材料需求。他們希望飛機噴氣發動機中的渦輪前溫度（推動渦輪旋轉的空氣溫度）更高，渦輪前高溫就意味著高效率。這樣一來，發動機的製造材料就必須能承受更高的溫度。目前美國空軍的飛機發動機合金以鎳金屬為主體，熔點是1455℃。在元素周期表中間的元素群，如鉬、鈮的熔點可達2500℃，但這兩種金屬的腐蝕速度太快，無法使用純金屬，需要混合其他元素來彌補這一缺陷。目前，美國空軍已經初步製成了混入這兩種金屬的高熵合金，熔點已經超過了原本的鎳合金，但腐蝕性還有待測試。

除了探索高熵合金的物理特性，研究者同時在挖掘它的化學特性，正在實施的項目之一就是研製高效廉價的金屬催化劑。金屬催化劑常常由金屬、尤其是貴金屬製得，如金、鉑（白金）和鈀。如果利用高熵合金的製造方法，可以把一大堆其他元素與較少的貴金屬混合冶鍊，使合金催化劑性能更加出色的同時，造價大幅降低，這樣的催化劑必定成為市場的寵兒。

化學家們對高熵合金的期望還不止於此。他們已經花了幾十年時間研究如何製造一種能模擬光合作用的催化劑，用以從水中分離出氫燃料，但研究成果一直乏善可陳。如今，高熵合金成為他們新的希望。

雖然高熵合金為許多領域的材料更新提供了新的希望，但實際上到現在為止，研究者還只是觸及這一研究領域的表面，沒有足夠多的數據幫助研究者預期合金的變化，當有人提出一項材料的性能需求時，研究者們並不能準確知道通過哪幾種組合實現這種性能，已有的成果可以說有點撞大運。

這是一個令人望而生畏的研究領域，想像一下，在常用的大約60種元素中，如果每次選取5種相同比例的元素混合，就會產生1040種組合；如果讓每種元素的比例增加或減少5%，再依次重新搭配，就會產生10120個組合。何況其中一些原料難以獲得或者非常昂貴，因此目前實在是無法製造和測試這麼多合金。沒有實驗數據，就沒有理論框架，高熵合金的製造缺失了一張「藏寶圖」，未來的研究將任重而道遠。