如果您對手機掉入熔巖中存在根深蒂固的擔憂，那么您很幸運。

由杜克大學材料科學家領導的一個研究小組開發了一種方法，可以快速發現一類新型材料，這種材料具有很強的耐熱性和電子耐受性，可以使設備在數千華氏度以上的類似熔巖的溫度下運行。

這些材料比鋼更硬，并且在化學腐蝕環境中穩定，還可以成為新型耐磨和耐腐蝕涂層、熱電材料、電池、催化劑和抗輻射設備的基礎。

這些材料(使用過渡金屬碳氮化物或硼化物制成的陶瓷)的配方是通過一種稱為無序熵熵描述符(DEED)的新計算方法發現的。在首次演示中，該項目預測了 900 種高性能材料新配方的可合成性，其中 17 種隨后在實驗室進行了測試并成功生產。

研究結果于 1 月 3 日在線發表在《自然》雜志上，其中包括賓夕法尼亞州立大學、密蘇里科技大學、北卡羅來納州立大學和紐約州立大學布法羅分校合作者的貢獻。

杜克大學機械工程和材料科學學院杰出教授 Stefano Curtarolo 表示：“快速發現可合成成分的能力將使研究人員能夠專注于優化其顛覆行業的特性。”

Curtarolo 團隊維護杜克大學自動流材料數據庫 (AFLOW)，這是一個與許多材料優化在線工具相連的巨大材料屬性數據庫。這些豐富的信息使算法能夠準確預測未探索的混合物的特性，而無需嘗試模擬原子動力學的復雜性或在實驗室中制造它們。

在過去的幾年里，Curtarolo 小組一直致力于開發“高熵”材料的預測能力，這些材料從混沌的原子混合物中獲得增強的穩定性，而不是僅僅依賴于傳統材料的有序原子結構。2018 年，他們發現了高熵碳化物，這是一種更簡單的特殊情況。

“高熵碳化物都具有相對均勻的焓，因此我們可以忽略方程的一部分，”庫塔羅洛說。“但為了預測其他過渡金屬的新陶瓷配方，我們必須解決焓問題。”

為了更好地理解此應用中的熵和焓的概念，請想象一個 10 歲的孩子試圖用一大堆樂高積木建造一個狗屋。即使構建塊的類型有限，也會有許多可能的設計結果。

簡而言之，焓是衡量每種設計堅固程度的指標，而熵是衡量具有相似強度的可能設計數量的指標。第一個促進有序配置，就像說明書中可能找到的配置一樣。后者捕捉到了當孩子將更多的時間和精力投入到日益令人困惑的建造工作中時，不可避免地會發生的混亂。兩者都是最終產品吸收的能量和熱量的衡量標準。

“為了快速量化焓和熵，我們必須計算我們可能創造的數十萬種不同成分組合中所包含的能量，而不是我們正在尋找的陶瓷，”庫塔羅洛說。“這是一項艱巨的任務。”

除了預測穩定無序陶瓷的新配方外，DEED 還有助于指導進一步分析以發現其固有特性。為了找到適合各種應用的最佳陶瓷，研究人員需要完善這些計算并在實驗室中對其進行物理測試。

DEED 專門針對一種稱為熱壓燒結的生產方法量身定制。這包括將成分化合物制成粉末狀，并在真空中將其加熱至高達 4000 華氏度，同時施加壓力長達幾個小時。從所有的準備、反應到冷卻時間，整個過程需要八個多小時。

“合成的最后一步稱為放電等離子燒結，是材料科學中的一種新興方法，在研究實驗室中很常見，”密蘇里科技大學陶瓷工程策展人杰出教授 William Fahrenholtz 說。

成品陶瓷具有金屬外觀，呈深灰色或黑色。它們摸起來像不銹鋼等金屬合金，并且具有相似的密度，但外觀要暗得多。盡管它們看起來是金屬的，但它們像傳統陶瓷一樣又硬又脆。