无序 化学多样性将是寻找超硬材料的关键

布法罗大学化学研究员EvaZurek是一项耗资750万美元的新项目的主要合作伙伴，该项目致力于通过一种称为摩擦搅拌焊接的工艺发现足够坚硬的廉价材料，以将两块钢连接在一起。

该团队还将开发一套基于人工智能(AI)的工具，用于按需设计具有针对一系列应用定制的特性的类似材料。

该合作由杜克大学自主材料设计中心牵头，并由国防部多学科大学研究计划(MURI)提供为期五年的资助。

UB文理学院化学教授Zurek博士将获得近120万美元的奖金。

该项目还包括来自宾夕法尼亚州立大学、北卡罗来纳州立大学和密苏里科技大学的研究人员。

研究的重点是“高熵”材料，这些材料结合了多种元素，形成了一个复杂的结构，从混沌的原子混合物中获得了更高的稳定性。在2018年用碳化物证明了这种方法后，研究人员现在将寻求将硼化物添加到不规则的自组织结构中，以生产一些有史以来最硬的材料。目标是将至少两种高熵材料混合在一起，使它们互锁，类似于由各种俄罗斯方块组成的网格。这种配置有助于硬度。

杜克大学机械工程和材料科学教授、新MURI奖的负责人StefanoCurtarolo博士说：“我们已经开发出计算机械来告诉我们这种现象何时会产生这些稳定的超硬材料。”“我们现在的目标是开发必要的‘烹饪’程序以及人工智能材料工具，这些工具可以自动发现新食谱以满足不同需求。”

该团队将探索的一种材料是碳、硼、氮和其他五种廉价金属元素的组合，所有元素都由熵稳定。

理论和计算化学家Zurek说，这种复杂性是使这项研究如此令人兴奋的部分原因。她在UB的团队将使用机器学习工具开发可用于对两种高熵材料之间的互锁边界进行大规模模拟的原子间势，并促进使用AI发现新的、硬的、可合成的材料。

“我对此感到非常兴奋，”Zurek说。“我认为这是一种让理论家在数百皮秒内模拟数千个原子的化学系统的动态行为的方法，这是该领域相对较长的时间，以便我们可以为实验者提供更有趣的目标.在我们新资助的项目中，我们希望找到由多达10种不同化学系统或元素组成的新型超硬材料。”

虽然高熵材料可用于许多应用，但国防部的一项优先事项称为搅拌摩擦焊，它使用类似钻头的钻头将两块金属连接起来，而不会使它们熔化。

当钻头旋转时，它们会加热和软化金属，当机器沿着一条线移动时，允许周围的材料旋转和混合。该技术产生了极少缺陷的极其坚固耐用的接头。

搅拌摩擦焊接头要在两块钢之间成功连接，必须非常难以避免磨损太快，热稳定以承受高温，化学惰性以不污染焊缝，并且足够便宜量产。金刚石对于这项工作来说足够坚硬，但在此过程中会脱落碳原子，使焊缝变脆。多晶立方氮化硼——目前选择的材料——磨损太快，因为它的制造成本是多么昂贵。

“如果合适的材料可以使搅拌摩擦焊成为涉及钢铁的大型项目的可行选择，那么它可能会彻底改变船舶和其他国防设备的建造，”Curtarolo说。

Curtarolo认为，解决搅拌摩擦焊接问题的关键是创建一个由高熵碳化物和硼化物组成的环环相扣的、类似俄罗斯方块的迷宫。

“碳化物通常不与硼化物混合，但如果我们能让它们形成互锁的晶粒，我们就可以制造出比两者都更坚硬的东西，”他说。“这就是诀窍。”

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