2016年5月,自然期刊刊出一篇很特别的专题报导,文章主角来自台湾。目前在清大材料工程学系任教的叶均蔚,2004年提出高熵合金概念,突破合金材料学过去认为合金种类越多、脆性化合物越多的迷思,开启了金属调和学的新领域,论文一发表立刻引来国际关注,如今知名国际期刊还主动跨海采访,让台湾在高熵合金的领域上领先全球。
虽然人类从远古的铁器时代就开始以金属作为制作工具的材料,传统合金发展也超过数十年,但过去合金制作总是不脱以一个金属为主、加入少量锌、镁、铜等元素合成的方式。这是由于当金属添加种类越多、就越容易产生脆性化合物,这类化合物一旦增加,材料延展性、硬度都会跟着下降,连带缩小使用范围,也因此过去一直没有人踏出第一步尝试。
而叶均蔚却逆向思考提出高熵合金的概念,他将五种以上的金属混合,以每个主元素原子百分比介于 5% 至 35%、每个次元素小于 5% 的比例制作,结果意外开启了高熵合金新领域。清大校长贺陈弘甚至形容,这是一个不简单的成就。
这样的新尝试其实立基在高熵合金效应这个热力学的理论上。首先得解释熵这个专有名词,它其实是热力学上代表乱度的参数,一个系统的乱度越大、熵也就越大。科学家发现当金属元素增加时,高熵效应反而会促进元素间的混合,让每个元素的原子在原子层之间随机散布,不会形成排列有序的脆性化合物,最后反而让材料得到韧性,这就是所谓的高熵合金效应。
虽然高熵合金效应存在许久,却没有人真正对此进行实验,叶均蔚以人烟稀少的新境界形容这个新兴领域,从一开始的名称、定义、到后来的基本原理研究,样样自己来,也因此奠定叶均蔚高熵合金之父的地位。
发展十多年的高熵合金技术,目前已经应用在各种不同领域,这类材料的成品比传统材料更耐热、不易断裂、可塑性也更高。叶均蔚说,可耐摄氏900度幅照损伤的核能反应炉、喷射引擎叶片耐温度的提升,都是未来指日可待的成品。