撰文：罗伯特.李                2022年12月22日

显微图像显示了钴、铬和镍合金在-424华氏度的应力测试过程中，断裂和晶体结构变形的路径（图片：Robert Ritchie/Berkeley实验室）

研究人员已经证明，由铬、钴和镍组成的金属合金是地球上最坚硬的材料，比神奇的石墨烯坚硬100多倍。

在12月1日发表在《科学》杂志上的一项新研究中，研究人员将这种超硬合金置于极冷的温度下，以测试这种材料的抗断裂能力。多年来，科学家们一直知道这种合金是一种坚硬的饼干——然而，令团队惊讶的是，随着温度的下降，这种合金只会变得更坚硬，更耐开裂。

根据研究作者的说法，这种超强的抗断裂能力与大多数材料形成了鲜明的对比，这些材料只有在冻结温度下才会变得更脆。

“人们谈论石墨烯的韧性，其测量值仅为每米4兆帕，”研究合著者、加州大学伯克利分校工程教授、劳伦斯伯克利国家实验室高级教授罗伯特·里奇告诉《生活科学》。“飞机用铝合金的韧性是每米35兆帕。这种材料的韧性为每米450至500兆帕……这些数字令人难以置信。”

这种坚韧材料的潜在应用范围，从空间基础设施到地球上清洁能源的耐断裂容器。然而，里奇指出，该合金的三种元素中有两种（镍和钴），价格昂贵得令人望而却步，这限制了该合金在可预见的未来在实验室的实用性。

奇异合金

铬、钴和镍合金是高熵合金（HEA）的一个例子。与大多数合金不同，HEA主要由一种元素制成，添加的额外元素数量较少，HEA由每种组成元素的相等混合物制成。

根据研究作者的说法，这种HEA具有极强的延展性，即韧性，这意味着它可以在压力下弯曲以承受断裂。该合金分子结构的一些奇特之处，使其具有非凡的延展性。例如，一个关键机制导致合金中的原子在压力下错位，从而使它们相互剪切。这与其他各种机制一起，允许材料在压力增加时保持变形，而不会断裂。

里奇补充道：“当你增加材料的应力时，这些机制中的每一个都会在后期发挥作用，这是获得高韧性的完美原因。值得注意的是，这些机制在较冷的温度下更有效。”

研究人员最初通过将合金暴露在零下321华氏度（零下196摄氏度）的液氮中来测试其韧性。当合金的韧性只提高了一点时，研究小组想知道他们能把材料的极限提高多少。

英国布里斯托大学的物理学家刘东和同事设计了一项实验，将合金暴露在液氦中，液氦可以冷却到零下424华氏度（零下253摄氏度）的超低温。然后，研究小组观察了中子在一种叫做中子衍射的过程中凝入合金的结构，并观察压力增加时裂纹是如何形成的。

实验表明，当谈到韧性时，合金会将石墨烯从水中吹出来。

“石墨烯的强度非常高，但它没有任何损伤耐受能力，”刘告诉《生活科学》。“它很脆，像你扔在地板上的杯子一样碎成碎片。”

刘补充道，石墨烯的另一个缺点是，它的高强度只能在极小的纳米级尺度上保持。同时，刘和她的团队测试的铬、钴和镍合金样品都是香烟盒大小，这意味着HEA的韧性保持在日常物品的水平。

未来的材料

虽然在这种材料实际应用之前需要进行更多的测试，但刘对这种合金可以用于太空和地球上的许多项目表示乐观。例如，HEA可用于储氢容器，从而使环保型氢动力汽车更加可行。

刘说：“如果你驾驶一辆装有由非常易碎的材料制成的氢容器的汽车，你基本上随身携带着一枚炸弹。但这种材料则不是。”

与此同时，里奇对该合金的潜在应用持谨慎态度，因为将材料从实验室转移到“现实世界”需要大量的知识和时间，而镍和钴的成本仍然过高。然而，他对开发新合金的配方很感兴趣，这些新合金可能同样坚韧，而且使用不同的元素。

里奇说：“元素周期表中有50种可用元素。三种、五种或七种合金的组合，意味着有数百万种新合金。”