研究焦點

自從青銅器時代以來，合金材料在文明演進史上一直扮演著神助攻的角色。然而，合金中的組成原子差異不能過大，否則即不能形成穩定晶體材料。本院應用科學研究中心包淳偉研究員與跨國實驗團隊合作，發現藉由巧妙的原子尺度晶格排列，可將五種大小差異達11%的原子結合成穩定的超彈性複雜合金，對將來開發新穎複雜組成材料提供了全新的思路。

合金材料自從青銅時代開始即伴隨人類不斷發展壯大，而高熵合金（high entropy alloy）由多種元素以相近濃度均勻混合，突破傳統材料瓶頸，是千年來重要的觀念突破。自從國立清華大學材料科學工程學系葉均蔚特聘教授於2004年提出高熵合金的概念以來，許多研究人員在此基礎上持續深化，除高熵合金外，目前材料學界也正積極研發其他高熵材料，如高熵陶瓷，高熵二維材料等等，預期在電池、產氫、以及光電領域都會有許多亮眼的表現。在此一重要新興領域中央研究院自然也是不落人後，本院應用科學研究中心包淳偉研究員與國際跨國團隊合作，結合理論模擬和實驗，成功開發出一種超彈性複雜化學組成合金。該合金能夠承受更大的外加應力和應變，具有極高的彈性極限（如圖一：B、C），並擁有極低的彈性能耗損。此研究成果已經於2022年登上國際知名學術期刊《自然》。

新合金由鈷、鎳、鉿、鈦和鋯等五種元素組成，具有高度均勻混合、晶體結構穩定等優點(圖一：A)。研究團隊結合電腦模擬與實驗，首次發現這五種元素在高達11%的原子大小差異組合下，能夠藉由巧妙的奈米尺度化學秩序安排(short range chemical order)形成晶體結構穩定的複雜化學組成合金（圖二及圖三：A）。原子尺度模擬也指出，此一巨大原子大小差異使得該合金成分原子必須承受高達9%的晶格畸變（lattice distortion）- 遠遠高於一般高熵合金的2%（圖三：B）。因此增加原子間差排移動的難度，不容易產生永久變形。這種新合金不同於傳統金屬加熱後會軟化的現象，表現出艾林瓦效應，即使加熱到攝氏 726 度左右，其剛度仍然與室溫下相當。新合金的彈性極限是目前已知的最高標準化強度之一，因此未來可能應用於高精密元件中，例如民生、生醫、能源、航太等產業。