奈米科學突破!科學家首將 8 種元素合成高熵合金奈米粒子

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 30 日 14:12 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

奈米科學領域的巨大突破!美國科學家們首次成功將高達 8 種平常根本不能混合的金屬元素結合形成均勻的奈米結構,稱為高熵合金奈米粒子。這有多厲害?以前科學家從未成功製造出結合 3 種以上元素的奈米粒子。



過去科學家不太相信可以將多種元素壓縮形成單一材料,要將不同元素混合擠壓成單個粒子非常困難,但來自馬里蘭大學、麻省理工學院、伊利諾伊大學芝加哥分校和約翰·霍普金斯大學的研究人員已經證明,他們能將多達 8 種不同的金屬元素結合形成晶體結構均勻的高熵合金奈米粒子。

你可以想像由不同元素結合形成的奈米粒子就像樂高玩具,如果你只有 3 種顏色或尺寸的元素,最後完成的組合與結構也受限於某幾種形式。但由 8 種金屬元素製成的奈米粒子就好比將玩具箱擴大好幾倍,你可以在其中自由創造更多元的玩具組合。

而高熵合金(High-entropy alloys,縮寫 HEA),是由 5 種或 5 種以上等量、大約等量金屬形成的合金,由於可能具備許多理想性質,故在材料科學工程上受到相當程度的重視。以往合金中主要的金屬成份可能只有 1~2 種,例如以鐵為基礎,再加入一些微量元素來提昇其特性,所得就是以鐵為主的合金。高熵合金和一般合金不同,結合多種金屬但不會脆化。

研究由馬里蘭大學材料科學與工程系助理教授 Liangbing Hu 領導,他表示,這種新型高熵奈米粒子應用領域極廣,特別是新興能源環境技術的催化劑,以及儲能(電池或超級電容器)、生物 / 電漿成像。

高熵合金奈米粒子製造過程採用先瞬間加熱、後瞬間冷卻的兩步法,將鉑、鈷、鎳、銅、鐵、鈀、金、錫等金屬元素暴露於約 3,000℉(約 1650℃)溫度下 0.055 秒,讓元素均勻混合,隨後瞬間冷卻讓元素穩定形成獨特的奈米材料,它們彼此相鄰,比如鎳原子旁邊依序挨著金原子、銅原子、鉑原子。這樣的物理方法很簡單,只是沒有人將之應用於製造奈米粒子。

(Source:馬里蘭大學

為了摸索新型奈米粒子的潛在用途,研究人員將之用作氨氧化(ammonia oxidation)反應的先進催化劑,結果證實它們擁有高效催化劑性能,氨氧化反應達 100%。

事實上,這東西太新了,連研究人員也不確定能運用這種高熵合金奈米粒子的所有領域,材料科學教科書上最多只討論由 3 種不同元素構成的合金用途。論文發表在《科學》期刊。

(首圖僅為概念圖,來源:pixabay

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