研究人员开发了一种新型一维高熵氧化物

华南理工大学前沿软物质学院教授黄哲昊团队与伊利诺伊大学芝加哥分校、斯德哥尔摩大学、华盛顿大学等科研机构成功研制出纳米带形状的一维高熵氧化物(1D-HEO)，其组成为(MoWNbTaV)O3。五月二十九日，《科学》发布了相关成果(Science)。

“与传统的高熵氧化物相比，这种一维高熵氧化物具有优异的尺寸控制能力，总宽度从60纳米到15纳米不等。μm不等，而且是高温(10000°C)、髙压(高达30 GPa)在强酸/强碱等极端环境下，可以保持单相结构，结构稳定性前所未有。此外，该材料的回弹模量高达40。 MJ硬度为6.89/m3。 GPa，“论文通讯作者之一的黄哲昊表示，远超目前主流的航天工程耐热合金。

近年来，高熵材料因其优异的可靠性和极端环境下的机械性能而受到材料科学领域的广泛关注。然而，由于合成技术和热学的驱动力，目前已知的高熵氧化物大多呈纳米粒状，在高温高压或腐蚀环境下容易相分离或塌陷。特别是在低维结构(如一维纳米带)中，保持单相结构的热学和动力学挑战更为明显。

为突破这一瓶颈，研究小组选择了一种多元化过渡金属硫化物，它具有高混合性和晶体结构兼容性。(MoWNbTaV)S2作为前驱体，采用“原点氧化”策略，使二维硫酸盐在柔和的环境中逐渐氧化，转化为具有一维带状形状的高熵氧化物。(MoWNbTaV)O3。这种方法不仅避免了相分离问题，而且首次实现了对纳米带尺寸的精确控制。

研究小组通过各种先进的表征方式对材料结构进行了深入的分析，特别是引入了3D电子衍射(3DED)技术，在纳米尺度下对晶胞参数、空间群和原子结构进行了完整的分析，解决了传统X射线衍射因晶体尺寸太小而无法分析结构的问题。研究小组通过3DED与透射镜的结合，确定了材料在室温和高温条件下保持单相正交结构，并在不同氧化阶段揭示了其演变机制。

初步实验表明，这种一维高熵氧化物具有优异的结构稳定性和机械性能，在高温、高压和强酸碱环境中没有变化或成分分离，表现出极高的热耐化学性。同时，其硬度和弹性回弹模量远优于常见的航空耐热合金，初步验证了其作为耐磨耐冲击材料的应用潜力。

记者了解到，这项研究已经完成了近5年，包括复杂的研究阶段，多个学科交叉。其中，最大的挑战是准确分析一维高熵氧化物的晶体结构，这种晶体结构具有复杂的成分和特殊的形状。因此，研究小组引入了三维电子衍射技术，成功分析了晶体结构的空间群、晶胞参数和原子排列，为材料在实际极端工况下的可靠性提供了有力的证据。

该研究成功的关键突破点之一是将三维电子衍射技术与高分辨率透射镜相结合的多尺度结构分析方法。研究最终发现并验证了一种全新的一维高熵氧化物材料，为研究高熵材料领域的结构调控机制提供了实验证据和理论依据。

这项研究的结果不仅丰富了高熵材料的结构体系和稳定机制，也为下一代高性能建筑材料的研发提供了新的思路。下一步，研究小组计划进一步探索这类设备在实际应用场景中的功能扩展，促进结构-性能-熵之间定量相关模型的构建，从而实现高熵材料的可预测性设计和应用转换。