▲清華化工系副教授楊東翰（前右）與助理教授林昆翰（前左）領導的研究團隊建立全球第一個高熵合金奈米晶體庫。（圖／清華大學提供）
圖文／鏡週刊
混合多種金屬元素的高熵合金奈米晶體已成為創新材料的明日之星，但科學家對不同元素的調配比例、如何均勻混合仍如瞎子摸象。清華大學化工系副教授楊東翰團隊創新研發出以「滴加法」來控制結晶體成長的技術，並建立全球第一個高熵合金奈米晶體資料庫，如同為成千上萬種組合的高熵材料訂出「雞尾酒指南」。有了它，將更能有效控制、預測並成功調配出新型高熵合金。
自清華大學材料系特聘講座教授葉均蔚自2004年首度提出高熵合金理論以來，全球許多科學家前仆後繼地投入此一新領域研究。高熵即為「高亂度」，高熵合金混合了5種以上的金屬。但如何成功混合不同的金屬，且如「滴血認親」一樣使之相溶，就成了科學家的大挑戰。
楊東翰表示，隨著研究發展的尺寸微縮技術，高熵材料也成功推進到了奈米尺度。高熵奈米晶體以其更大的表面積及更佳的催化性能，可提供幾乎「無限」的組合方式。但就因為它的元素組成複雜，如何調控它們互溶、不至於產生不均勻的分相結構；及如何調控晶體的表面排列，來提升催化的性能，成為團隊研究及挑戰的目標。
楊東翰團隊首先研究不同金屬前驅物的還原速率，讓有的快、有的慢的金屬前驅物還原速率趨於一致，找出讓它們同步互溶的關鍵因素，建立一套可調控且可預測的合成準則。
團隊進一步研發出如同在珠核表面不斷包裹珍珠質形成養珠的方法，舉例來說，可以鈀為晶核，再滴加鐵、鈷、鎳、鉑、銠、釕、銥等金屬離子混合液到浸在還原劑中的晶核上，長出磊晶原子層。以這種方式造出的高熵合金奈米晶體，不但可以控制它的原子排列，如排成蜂巢或方陣，也可決定晶體堆疊成金字塔、立方體、或八面體等形狀。
團隊成員笑稱，這套「晶體養成術」的靈感其實來自貓飼料。因貓咪總是更受香濃的肉泥「罐罐」吸引，而不愛乾飼料。為了滿足牠們，飼主常得花不少功夫把肉泥包裏在乾飼料上，一旦包裏不均勻，還騙不過挑嘴的喵星人。在這過程中，團隊成員也一步步思考出如何調配晶體的比例，及包得均勻、包出特定形狀的方法。
楊東翰指出，以滴加法發展出的磊晶成長技術，經過國家同步輻射研究中心的先進光源、臨場顯微分析，已證實金屬原子的確能均勻、一致地排列堆疊。以此方法造出的催化劑，應用於水解產氫，效率加倍，可望推進再生能源發展，為淨零排放作出貢獻。
在突破結構控制的技術瓶頸、掌握高熵合金「定制法」後，楊東翰團隊也成功建構出全球第一個可控制晶面的高熵奈米晶體資料庫，包含數十種新穎的奈米晶體，連續2年登上了頂尖國際期刊《科學前沿》（Science Advances）。
清華大學化工系助理教授林昆翰也對建構全球第一個高熵奈米晶體資料庫提供助力。由林昆翰領導的理論計算團隊運用電腦模擬來篩選最佳的金屬組成與晶面，並預測可能產生的材料特性，為進一步的實驗提供重要參考。
林昆翰指出，雖然計算模型無法考慮所有實驗變因，但通過與實驗團隊的緊密合作，不斷調整和改良模型，已可產生與實驗十分相近的結果，期待未來能更進一步協助實驗團隊提高研究效率。
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