又是高熵且首次發現！繆建偉教授時隔兩年再發Nature

一、【導讀】

強度和延展性是材料的兩種重要屬性，但它們在大多數材料中是相互排斥的。實驗表明，幾種中熵和高熵合金（M/HEAs）可以克服這種強度-延展性權衡。混合了幾種由近等原子元素組成的M/HEAs，代表了一種在冶金，催化和其他材料中設計先前未知材料的模型轉換策略。其中，M/HEAs的高強度源于作為溶質的不同元素成分、局部化學秩序和異質晶格應變，這提高了位錯運動的能量勢壘。盡管面心立方（fcc）金屬中的位錯滑動導致高延展性和強度降低，但M/HEAs中的孿生提供了一種獨特的塑性機制，該機制阻礙了位錯運動并在保持延展性的同時獲得強度。M/HEAs的核心假設之一是晶格畸變，且已通過不同的數值和實驗技術進行了研究，但如何確定M/HEAs中的三維（3D）晶格畸變仍然是一個挑戰。此外，M/HEAs中假設的隨機元素混合受到X射線和中子研究、原子模擬、能量色散譜和電子衍射的質疑，這表明M/HEAs中存在局部化學有序。然而，由于能量色散光譜整合了沿帶軸的原子柱組成，漫反射電子反射可能源于平面缺陷，而不是局部化學有序，因此很難對三維局部化學有序進行直接實驗觀察。

二、【成果掠影】

在此，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）繆建偉教授等人（通訊作者）使用原子分辨電子斷層掃描確定了M/HEAs納米顆粒的3D原子位置，定量表征了局部晶格畸變、應變張量、孿晶界、位錯核和化學短程有序（CSRO）。結果表明，與中熵合金相比，高熵合金具有更大的局部晶格畸變和更多的非均應變，并且該應變與CSRO相關。同時，作者還在中熵合金中觀察到CSRO介導的孿晶，也就是說—孿晶發生在能量不利的CSRO區域，而不是能量有利的CSRO區域，這代表了本文首次實現了局部化學有序與任何材料的結構缺陷相關聯的實驗觀察。因此，預計這項工作不僅將擴展人們對這一類重要材料的基本理解，而且將為通過工程晶格畸變和局部化學有序來定制M/HEAs特性奠定了基礎。

相關研究成果以“Three-dimensional atomic structure and local chemical order of medium- and high- entropy nanoalloys”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.使用原子級電子斷層掃描（AET）確定了基于NiPdPt的M/HEA納米顆粒的三維原子坐標，在原子尺度上量化了M/HEAs的三維晶格畸變、應變張量、位錯、孿生邊界和CSRO。

2.孿晶發生在能量不利的CSRO區域，而不是能量有利的CSRO區域，這代表了首次實現了局部化學有序與任何材料的結構缺陷相關聯的實驗觀察。

四、【數據概覽】

圖1 M/HEA納米顆粒的三維原子結構和晶格畸變? 2023 Springer Nature

圖2 M/HEA納米顆粒的3D應變張力測量? 2023 Springer Nature

圖3 CSRO與膜電極孿生相關性的實驗觀察? 2023 Springer Nature

圖4 根據實驗3D原子坐標和MEAs的種類計算得出的孿生形成能（E_TF）? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文通過推進AET來確定M/HEAs的三維原子位置，并在三維空間中定量表征其局部晶格畸變、應變張量、位錯核和CSRO。研究發現，M/HEAs中的應變和CSRO之間存在相關性，還觀察到MEA中CSRO介導的孿生，這證實了 NiPdPt MEA的DFT計算和CrCoNi MEA的原子模擬。同時，由于CSRO在材料制造過程中的可調性，作者對CSRO與孿晶之間相關性的3D原子尺度見解可以擴大M/HEA和其他具有目標結構-性能關系的合金的設計范圍。雖然在這項工作中專注于M/HEA納米顆粒，但AET可以與EDS相結合，通過將塊狀M/HEA 銑削成針狀或薄樣品來確定它們的三維原子位置和局部化學秩序。此外，與傳統合金相比，M/HEA催化劑在各種多步反應中表現出更高的性能，包括氨的氧化和分解、二氧化碳減排和甲烷燃燒。M/HEA催化劑還具有近乎連續的吸附結合能，具有更高的結構穩定性。因此，確定M/HEA催化劑的3D原子結構并測量其3D局部晶格畸變和應變，可以為它們在大部分未開發的成分和結構范圍內的合理設計鋪平道路。

文獻鏈接：“Three-dimensional atomic structure and local chemical order of medium- and high- entropy nanoalloys”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06785-z）

本文由材料人CYM編譯供稿。