揭示金属制造中的新物理机制

金属合金的性能取决于化学成分和微观结构。化学成分指的是金属合金里有哪些元素、比例为何；而微观结构则反映这些原子是如何排列的——它们并不是整齐均一地排成，而是会在不同区域形成密度、形状和分布各异的“缺陷”。在制造过程中，工程师会精心设计金属的加工路线，使金属形成预想的微观结构和化学构型。

不过，近年来，科学家在研究所谓的高熵材料时发现，除了“成分”和“结构”，还有一个更细微但极具潜力的因素——化学短程有序（chemical short-range order），也能改变材料的强度、导热性或抗辐射能力等。如果在制造过程中能刻意地控制这种短程有序，就能在不改变合金微观结构和化学成分的情况下，拓宽材料设计空间，为材料性能设计提供一个新的独立维度。

如今，一项新发表于《自然·通讯》的研究表明，合金在加工过程中会形成一种非平衡但稳定的短程有序状态，其结构特征与任何平衡态下的短程有序都有所不同。而且常规的金属制造工艺本身就能创造并调节这种非平衡的短程有序状态。

从偶然到理论

化学短程有序，指的是某些化学结构单元比其他结构更为常见的倾向。这些局部化学模式共同构成了微观结构的“背景”，并通过调节晶体缺陷的行为来影响材料性能。越来越多的研究表明，化学短程有序会显著影响材料的多种性质。不过，要想通过化学短程有序来调控材料的性能，在实践中极具挑战。

新的研究成果始于一个十分实际的问题：在金属加工中，化学元素混合的速度到底有多快？传统观点认为，随着加工过程的推进，在某一时刻，金属的化学成分会完全混合并趋于均匀。因此，研究团队认为，通过找到那个关键的“完全混合点”，就能开发出一种简单的方法来设计具有不同原子有序程度（短程有序）的合金。

他们利用机器学习技术，追踪了数百万个原子在模拟加工条件下的运动和重排。他们先让一块金属发生形变——这是制造中的常规步骤，反复轧制、加热、再形变，最终让金属形成理想结构。在这一过程中，他们追踪了化学有序性：他们原以为，剧烈的制造过程会打破化学键、打乱原子，使系统趋于随机。

但结果却出乎意料，合金从未达到完全随机状态。这让研究人员意识到，这里隐藏着一种新的物理机制。

非平衡的“原子偏好”

为揭开这一新的物理学，研究团队开发了新的计算工具：包括用于捕捉原子间的相互作用的高精度机器学习模型，以及用以量化化学有序随时间变化的统计方法。他们将这些工具应用于大规模分子动力学模拟中，追踪了原子在加工过程中的重排轨迹。

结果发现，加工后的金属中确实出现了一些标准的化学排列，但形成温度高于预期。更令人惊讶的是，他们发现了一种此前从未在制造过程之外观察到的全新化学模式。研究人员将其称为“远离平衡态”。

进一步的模型分析揭示了这些模式的来源：这些模式与金属内部的缺陷——位错——密切相关。位错就像是金属内部的“三维涂鸦”，在金属形变时，这些涂鸦就会扭曲，并推动周围原子移动。

过去的研究认为，这种“洗牌”过程会完全抹去金属原子间的有序性，但新研究发现，位错实际上存在“化学偏好”：它们会寻找低能量的路径，当必须打断化学键时，它们更倾向于断开能量较低的化学键，从而在局部形成新的微妙模式，而非完全随机。

这一发现令研究人员兴奋，因为这样一种非平衡状态并非材料中自然出现的东西，就像我们的身体也是处于非平衡状态一样——外界温度总是在变化，而我们则通过维持稳定的平衡来维系生命。而新发现表明，金属中也存在这类状态——它在内部的“无序趋势”与“有序偏向”之间取得了平衡。

从基础到应用

目前，研究团队正在绘制一张“化学模式地图”，试图展示在不同制造条件下，金属中会形成怎样的化学模式。长期以来，这类化学有序被视为纯学术问题。但研究人员希望，随着这张“地图”的完善，工程师能将这些模式视为可操作的设计杠杆，在制造过程中主动调整，从而获得全新的金属性能。

这种原子排列对金属性能的影响远比想象的广泛。例如催化反应、电化学过程都极其依赖局部原子结构。而在核反应堆中，辐射损伤等问题也可能与这种局部有序性有关。

已有科学家指出，这项研究可能为其他金属特性中的异常现象提供解释。研究人员也期待该领域能从基础研究迈向更具应用性的方向，比如航空航天领域，就非常依赖高性能合金。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2025/uncovering-new-physics-metals-manufacturing-1008

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64733-z

#图片来源：

封面图&首图：Islam et al. via MIT News