揭示金屬制造中的新物理機(jī)制

金屬合金的性能取決于化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。化學(xué)成分指的是金屬合金里有哪些元素、比例為何；而微觀結(jié)構(gòu)則反映這些原子是如何排列的——它們并不是整齊均一地排成，而是會(huì)在不同區(qū)域形成密度、形狀和分布各異的“缺陷”。在制造過(guò)程中，工程師會(huì)精心設(shè)計(jì)金屬的加工路線，使金屬形成預(yù)想的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)構(gòu)型。

不過(guò)，近年來(lái)，科學(xué)家在研究所謂的高熵材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了“成分”和“結(jié)構(gòu)”，還有一個(gè)更細(xì)微但極具潛力的因素——化學(xué)短程有序（chemical short-range order），也能改變材料的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性或抗輻射能力等。如果在制造過(guò)程中能刻意地控制這種短程有序，就能在不改變合金微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的情況下，拓寬材料設(shè)計(jì)空間，為材料性能設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的獨(dú)立維度。

如今，一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·通訊》的研究表明，合金在加工過(guò)程中會(huì)形成一種非平衡但穩(wěn)定的短程有序狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)特征與任何平衡態(tài)下的短程有序都有所不同。而且常規(guī)的金屬制造工藝本身就能創(chuàng)造并調(diào)節(jié)這種非平衡的短程有序狀態(tài)。

從偶然到理論

化學(xué)短程有序，指的是某些化學(xué)結(jié)構(gòu)單元比其他結(jié)構(gòu)更為常見(jiàn)的傾向。這些局部化學(xué)模式共同構(gòu)成了微觀結(jié)構(gòu)的“背景”，并通過(guò)調(diào)節(jié)晶體缺陷的行為來(lái)影響材料性能。越來(lái)越多的研究表明，化學(xué)短程有序會(huì)顯著影響材料的多種性質(zhì)。不過(guò)，要想通過(guò)化學(xué)短程有序來(lái)調(diào)控材料的性能，在實(shí)踐中極具挑戰(zhàn)。

新的研究成果始于一個(gè)十分實(shí)際的問(wèn)題：在金屬加工中，化學(xué)元素混合的速度到底有多快？傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著加工過(guò)程的推進(jìn)，在某一時(shí)刻，金屬的化學(xué)成分會(huì)完全混合并趨于均勻。因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過(guò)找到那個(gè)關(guān)鍵的“完全混合點(diǎn)”，就能開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)設(shè)計(jì)具有不同原子有序程度（短程有序）的合金。

他們利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，追蹤了數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子在模擬加工條件下的運(yùn)動(dòng)和重排。他們先讓一塊金屬發(fā)生形變——這是制造中的常規(guī)步驟，反復(fù)軋制、加熱、再形變，最終讓金屬形成理想結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中，他們追蹤了化學(xué)有序性：他們?cè)詾?，劇烈的制造過(guò)程會(huì)打破化學(xué)鍵、打亂原子，使系統(tǒng)趨于隨機(jī)。

但結(jié)果卻出乎意料，合金從未達(dá)到完全隨機(jī)狀態(tài)。這讓研究人員意識(shí)到，這里隱藏著一種新的物理機(jī)制。

非平衡的“原子偏好”

為揭開(kāi)這一新的物理學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新的計(jì)算工具：包括用于捕捉原子間的相互作用的高精度機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以及用以量化化學(xué)有序隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)方法。他們將這些工具應(yīng)用于大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬中，追蹤了原子在加工過(guò)程中的重排軌跡。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加工后的金屬中確實(shí)出現(xiàn)了一些標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)排列，但形成溫度高于預(yù)期。更令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)了一種此前從未在制造過(guò)程之外觀察到的全新化學(xué)模式。研究人員將其稱(chēng)為“遠(yuǎn)離平衡態(tài)”。

進(jìn)一步的模型分析揭示了這些模式的來(lái)源：這些模式與金屬內(nèi)部的缺陷——位錯(cuò)——密切相關(guān)。位錯(cuò)就像是金屬內(nèi)部的“三維涂鴉”，在金屬形變時(shí)，這些涂鴉就會(huì)扭曲，并推動(dòng)周?chē)右苿?dòng)。

過(guò)去的研究認(rèn)為，這種“洗牌”過(guò)程會(huì)完全抹去金屬原子間的有序性，但新研究發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)實(shí)際上存在“化學(xué)偏好”：它們會(huì)尋找低能量的路徑，當(dāng)必須打斷化學(xué)鍵時(shí)，它們更傾向于斷開(kāi)能量較低的化學(xué)鍵，從而在局部形成新的微妙模式，而非完全隨機(jī)。

這一發(fā)現(xiàn)令研究人員興奮，因?yàn)檫@樣一種非平衡狀態(tài)并非材料中自然出現(xiàn)的東西，就像我們的身體也是處于非平衡狀態(tài)一樣——外界溫度總是在變化，而我們則通過(guò)維持穩(wěn)定的平衡來(lái)維系生命。而新發(fā)現(xiàn)表明，金屬中也存在這類(lèi)狀態(tài)——它在內(nèi)部的“無(wú)序趨勢(shì)”與“有序偏向”之間取得了平衡。

從基礎(chǔ)到應(yīng)用

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在繪制一張“化學(xué)模式地圖”，試圖展示在不同制造條件下，金屬中會(huì)形成怎樣的化學(xué)模式。長(zhǎng)期以來(lái)，這類(lèi)化學(xué)有序被視為純學(xué)術(shù)問(wèn)題。但研究人員希望，隨著這張“地圖”的完善，工程師能將這些模式視為可操作的設(shè)計(jì)杠桿，在制造過(guò)程中主動(dòng)調(diào)整，從而獲得全新的金屬性能。

這種原子排列對(duì)金屬性能的影響遠(yuǎn)比想象的廣泛。例如催化反應(yīng)、電化學(xué)過(guò)程都極其依賴局部原子結(jié)構(gòu)。而在核反應(yīng)堆中，輻射損傷等問(wèn)題也可能與這種局部有序性有關(guān)。

已有科學(xué)家指出，這項(xiàng)研究可能為其他金屬特性中的異?，F(xiàn)象提供解釋。研究人員也期待該領(lǐng)域能從基礎(chǔ)研究邁向更具應(yīng)用性的方向，比如航空航天領(lǐng)域，就非常依賴高性能合金。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2025/uncovering-new-physics-metals-manufacturing-1008

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64733-z

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Islam et al. via MIT News