新发现的陶瓷材料的分子结构艺术图，这种材料能够在数千度高温下制造出功能性电子产品，有可能颠覆多个行业的格局。

　　一种新颖的计算技术发现了数百种新型陶瓷材料，这些材料可能具有颠覆行业的多种特性，比如可以在熔岩中正常工作的电子器件。
　　杜克大学材料科学家领导的一个研究小组开发出了一种方法，可以快速发现一类新型材料，这种材料的耐热性和电子耐受性非常强，可以让设备在华氏数千度以上的熔岩温度下正常工作。
　　这些材料比钢铁更坚硬，在化学腐蚀环境中也很稳定，因此也可以成为新型耐磨和耐腐蚀涂层、热电元件、电池、催化剂和抗辐射设备的基础。
　　发现过程
　　这些材料（使用过渡金属碳氮化物或硼化物制成的陶瓷）的配方是通过一种名为“无序焓熵描述符”（DEED）的新计算方法发现的。在首次演示中，该程序预测了900种高性能材料新配方的可合成性，其中17种材料随后在实验室进行了测试并成功生产。
　　这些成果最近发表在《自然》杂志上，其中包括宾夕法尼亚州立大学、密苏里科技大学、北卡罗来纳州立大学和纽约州立大学布法罗分校合作者的贡献。
　　杜克大学Edmund T. Pratt Jr.学院机械工程与材料科学教授斯特凡诺·科塔罗洛（Stefano Curtarolo）说：“快速发现可合成成分的能力将使研究人员能够专注于优化其颠覆行业的特性。”
　　DEED的作用
　　科塔罗洛小组负责维护杜克大学材料自动流动数据库（AFLOW）——一个与许多在线材料优化工具相连的巨大的材料特性数据储存库。这些丰富的信息使算法能够准确预测未探索混合物的特性，而无需尝试模拟复杂的原子动力学或在实验室中制造混合物。
　　过去几年来，科塔罗洛研究小组一直致力于开发“高熵”材料的预测能力，这种材料从混乱的原子混合物中获得增强的稳定性，而不是仅仅依赖传统材料的有序原子结构。2018年，他们发现了高熵碳化物，这是一种更简单的特殊情况。
　　科塔罗洛说：“高熵碳化物都具有相对均匀的焓，因此我们可以忽略方程的一部分，但要预测使用其他过渡金属的新陶瓷配方，我们必须解决焓的问题。”
　　为了更好地理解熵和焓在这一应用中的概念，不妨想想一个10岁的孩子试图用一大堆乐高积木搭建一个小屋。即使积木的种类有限，也会有许多可能的设计结果。
　　简单来说，焓是对每种设计坚固程度的衡量，而熵则是对强度相似的可能设计数量的衡量。前者促进有序配置，就像说明书中可能出现的配置一样。后者则反映了随着孩子投入更多的时间和精力来完成日益混乱的搭建工作，不可避免地会出现的混乱。两者都是对最终产品所吸收的能量和热量的测量。
　　“为了快速量化焓和熵，我们必须计算成百上千种不同成分组合所蕴含的能量，而这些成分组合有可能制造出我们想要的陶瓷，”科塔罗洛说，“这是一项艰巨的任务。”
　　除了预测稳定无序陶瓷的新配方，DEED还有助于指导进一步分析，以发现它们的固有特性。为了找到各种应用的最佳陶瓷，研究人员需要完善这些计算，并在实验室中进行物理测试。
　　合成挑战
　　DEED专用于一种称为热压烧结的生产方法。这需要将粉末状的组成化合物在真空中加热到华氏4000度（2204℃），同时施加压力，时间可长达数小时。从制备、反应到冷却，整个过程需要8个多小时。
　　密苏里科技大学陶瓷工程馆馆长、特聘教授威廉·法伦霍兹（William Fahrenholtz）说：“合成的最后一步称为火花等离子烧结，是材料科学领域的一种新兴方法，在研究实验室很常见。”
　　成品陶瓷具有金属外观，看起来呈深灰色或黑色。它们摸起来像不锈钢等金属合金，密度也相似，但颜色要深得多。尽管它们看起来像金属，但却像传统陶瓷一样又硬又脆。
　　展望未来，该研究小组希望其他研究人员也能开始使用DEED来合成和测试各种应用中的新型陶瓷材料的性能。考虑到这些材料令人难以置信的潜在特性和用途，他们相信其中一些材料进入商业生产只是时间问题。
　　“火花等离子烧结或现场辅助烧结技术（FAST）在工业中还不是一种常见的技术，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授兼负责学术研究的副校长道格·沃尔夫（Doug Wolfe）补充说，“不过，目前的陶瓷制造商可以通过对现有工艺和设施进行微小的调整，转而生产这些材料。”
　　这项由科塔罗洛领导的研究主要由美国国防部多学科大学研究计划（MURI）竞赛和国防部高性能计算现代化计划（HPC-Frontier）提供的为期5年、价值750万美元的资助。（逸文）