设计出可以承受极端环境条件的合金是材料科学家的基本难题之一。由于辐射能会在合金中形成缺陷，因此来自能源前沿研究中心的研究人员正在探索新的方法来设计结构材料，以期可以将辐射的影响降到最低。而其中的关键就是利用四种不同的金属元素以相等量形成合金时的复杂性。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

“化学复杂性使得我们可以修改能量消散和缺陷演变的路径。”该文第一作者Yanwen Zhang说。Yanwen Zhang供职于“能量耗散和缺陷演化中心”（EDDE），该中心由美国能源部科学办公室资助成立。该中心成立大约15个月，聚集了超过20位在实验和模型方面的专家。EDDE在橡树岭、洛斯阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯——利弗莫尔国家实验室和密歇根大学，威斯康星大学麦迪逊分校和田纳西州诺克斯维尔的大学都有合作伙伴。

辐射可能会损害航天器、核电厂和高能加速器。核反应产生的高能粒子—离子和中子的能量在耗散时可能会损坏材料，随着时间的推移也会造成缺陷的形成。可以承受辐射的先进结构材料在核能反应器方面具有关键应用。如今，核能提供了美国五分之一的电力，下一代核能反应器则希望可以具有更长的服役时间，且能承受更高的辐射。在反应器中，数以千计的原子会在高能粒子的激发作用下运动起来。当能量消散的时候，一些原子会回到原来的位置，而一些原子则不会。辐射会损坏结构材料的晶格，甚至是改变其晶体结构。目前关于辐射影响的知识主要集中在反应器核心部件上。以轻水反应器为例，结构部件中的所有原子平均会偏移20次，而这种损毁也可能会影响材料的性能。因此为了满足下一代核能材料的要求，科学家希望可以设计出最多可偏移200次的材料。

成功的秘诀

自从3000年前铁器时代开始，一些有用的合金就由很多相组成，其中有一两种元素是主要元素，同时加入其他一些元素来进行修饰。最近，一类不同的材料引起了科学家的极大兴趣。在这些特殊的合金中，几种不同类型的原子具有相同的百分比，随机分布在晶体晶格中。高熵合金甚至包括五种以上的元素。事实上，来自伯克利和橡树岭实验室的研究人员最近的研究表明这些合金在超高温度下具有很高的强度和延展性。相比之下，EDDE的目标是找到什么样的复杂性可以导致导热性和导电性方面的差异，并且在早期影响其缺陷动力学，而在接下来的阶段影响材料的稳定性。实验结果表明通过化学多样性可以大大提高合金的辐照性能。该团队使用了很多方法来研究一种具有等量的镍和其他元素的合金。一种配方是具有两种材料，而另外的则尝试了三种材料（镍—铬—钴）或者四种材料（镍—铬—铁—钴）。这些化学元素随机分散在晶格中，创造除了独特的微观形变，而晶格在宏观上仍然保持晶体结构。

通过理论和实验的结合，科学家们获得了品质很高的合金，计算出由化学紊乱引起的电子结构和固有输运性质的变化，并确认了每个晶体的电阻率和导热性实验测量的计算结果。离子辐照、缺陷产生模型，离子束分析和照射合金的微观结构表征的结果表明，这些材料的缺陷和损坏更小。该实验结果也表明了缓慢能量耗散和缺陷演化之间具有内在联系。材料的电子能带结构决定了材料电子导电和导热能力。在金属中，例如纯的镍，由于电子几乎不会发生散射，因此能量耗散非常快；当高能粒子轰击晶体中的原子时，产生的能量波可以迅速前进，留下在撞击位置的能量非常小。然而，在一个多元无序的合金晶体中，当高能粒子轰击晶体原子时，能量会遇到障碍物，并且停留其中很长时间。

EDDE的研究结果表明，当合金的复杂程度增加的时候，产生的缺陷会越来越少，越来越小，同时其耐辐射能力也提高了。实验结果也表明，单纯的增加元素种类并不会获得最好的合金，而也要考虑内部结构变化，构成原子的化学、电子和磁性能等。这种具有高化学紊乱的下一代合金由于具有更低的导电性能和导热性能，也许会减缓能量耗散，并且产生的缺陷也会减少。有证据表明，缓慢的能量耗散可以去除一些缺陷。而合金的复杂性如何调整材料的性能还需要进一步的研究。新的理论研究有助于设计出更加先进的能量系统，并且减少不必要的尝试。“在原子和电子层面上关于缺陷动力学的研究对解决结构材料方面长期以来的疑难问题具有非常重要的意义。”Zhang说。 

新材料在线编译整理——翻译：杨超    校正：摩天轮