又硬又超展開！清大葉均蔚讓高熵合金材料發光發熱 - 泛科學

今（2016）年五月， Nature 期刊刊出一篇很特別的專題報導，文章主角來自台灣。

目前在清大材料工程學系任教的葉均蔚， 2004 年提出「高熵合金」（ High–Entropy Alloys ） ... 000文字分享友善列印000來自台灣科技能源萬物之理透視科學又硬又超展開！清大葉均蔚讓高熵合金材料發光發熱彭琬馨・2016/06/08・1239字・閱讀時間約2分鐘・SR值581・九年級＋追蹤今（2016）年五月，Nature期刊刊出一篇很特別的專題報導，文章主角來自台灣。

目前在清大材料工程學系任教的葉均蔚，2004年提出「高熵合金」（High–EntropyAlloys）概念，突破合金材料學過去認為合金種類越多、脆性化合物越多的迷思，開啟了「金屬調和學」的新領域，論文一發表立刻引來國際關注，如今知名國際期刊還主動跨海採訪，讓台灣在高熵合金的領域上領先全球。

清大材料工程學系葉均蔚教授，開創高熵合金材料領域，並於2014年與其他兩位學者共同出版教科書。

圖／清華大學秘書處高熵合金：降低傳統合金的脆性化合物雖然人類從遠古的鐵器時代就開始以金屬作為製作工具的材料，傳統合金發展也超過數十年，但過去合金製作總是不脫「以一個金屬為主」、加入少量鋅、鎂、銅等元素合成的方式。

這是由於當金屬添加種類越多、就越容易產生脆性化合物，這類化合物一旦增加，材料延展性、硬度都會跟著下降，連帶縮小使用範圍，也因此過去一直沒有人踏出第一步嘗試。

而葉均蔚卻逆向思考提出高熵合金的概念，他將五種以上的金屬混合，以每個主元素原子百分比介於5% 至35%、每個次元素小於5%的比例製作，結果意外開啟了「高熵合金」新領域（參考：多元高熵合金薄膜）。

清大校長賀陳弘甚至形容，這是一個「不簡單的成就」。

驗證高熵效應　定義原理樣樣自己來這樣的新嘗試其實立基在「高熵效應」這個熱力學的理論上。

首先得解釋「熵」這個專有名詞，它其實是熱力學上代表亂度的參數，一個系統的亂度越大、熵也就越大。

科學家發現，當金屬元素增加時，高熵效應反而會促進元素間的混合，讓每個元素的原子在原子層之間隨機散布，不會形成排列有序的脆性化合物，最後反而讓材料得到韌性，這就是所謂的「高熵效應」。

高熵合金與其他材料強韌度的比較。

圖／清華大學提供。

雖然高熵效應存在許久，卻沒有人真正對此進行實驗，葉均蔚以「人煙稀少的新境界」形容這個新興領域，從一開始的名稱、定義、到後來的基本原理研究，樣樣自己來，也因此奠定葉均蔚「高熵合金之父」的地位。

發展十多年的高熵合金技術，目前已經應用在各種不同領域，這類材料的成品比傳統材料更耐熱、不易斷裂、可塑性也更高。

葉均蔚說，可耐攝氏900度幅照損傷的核能反應爐、噴射引擎葉片耐溫度的提升，都是未來指日可待的成品。

利用「高熵合金」為材料做出高壽命的刀具。

圖／清華大學提供。

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相信只要努力就會變好，相信科學是為了人而存在。

在這個記者被大多數人看不起的年代，努力做個對得起自己的記者。

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塵暴來襲時，能見度極低，難以觀察地貌。

圖／Pixabay當火星塵埃滿天時，大氣吸熱能力增加，可提高火星大氣溫度攝氏20～30度。

揚起灰塵的總量，有7億多立方公尺，可覆蓋火星全球地表1/10頭髮厚度。

在地面望遠鏡觀測時代，常看到火星隔夜「山河變色」，都是因為塵暴攜帶大量灰塵所致。

塵暴平息後，灰塵重新分布，大規模改變了地表顏色，面積有時可達半個美國大陸的大小。

塵暴的另一巨大功能，是對地表進行風蝕作用。

「維京人號」登陸之時，科學家不但要憂慮高低不平的隕石坑，和經隕石撞擊而散落在各處的岩塊，還要憂慮火星亙古的風蝕作用，可能已把所有岩石揉成細沙，甚或流沙，可能會將登陸艇吞沒。

所以，當「維京人號」安全落地，發現腳下是堅實的土地，並還有許多大小不一的岩塊樣品留下時，對我們來說，是一個意外的驚喜。

「維京人一號」軌道衛星，在1976年為「維京人二號」登陸小艇尋找登陸地點時，在北半球攝得一張所謂「火星人面像」（FaceonMars，圖6-1）。

照片中央的人面約1,500公尺大小，太陽由左上方以20度角射入。

其他各類散布的岩塊，都有明顯風化跡象。

「火星人面像」可能就是由塵暴「雕塑」成的。

圖6-1：1976年由「維京人一號」軌道衛星攝得之「火星人面像」。

圖／NASA「火星人面像」公布後，引起「八卦族」密切關懷，認為是「火星人」的藝術作品，對美國航太總署不肯說「實話」公布「詳情」大表不滿，紛紛提出媒體控訴，熱鬧了好一陣子。

「火星人面像」被媒體炒作30年後，美國航太總署在2007年，特別以新一代「火星勘測軌道飛行器」(MarsReconnaissanceOrbiter,MRO)上的「高解析度成像科學設備」(HighResolutionImagingScienceExperiment,HiRISE)，取得一張解析度為90公分的高鑑別率照片（圖6-2），秋毫畢露地呈現出「火星人面像」的確是由塵暴「雕塑」而成的礫丘。

美國航太總署耐心地等候了30餘年的時間，認真處理了一般老百姓熱衷的火星八卦事件，「火星人面像」至此完全謝幕。

圖6-2：美國航太總署在2007年4月5日取得一張高鑑別率「火星人面像」。

圖／NASA火星塵暴的確產生了大規模的風化作用，造成了包圍在北極四周的巨大沙漠和零星散布在各地的沙丘區(sanddunesfield)。

比較起來，北半球受風蝕情況較為嚴重，沙礫常將隕石坑埋住，形成平坦的地表。

南半球隕石坑滿布，銳利鮮明，似乎沒受到什麼塵暴的蹂躪，間或，一些構造特殊的沙丘零散其間。

1999年5月5日，「火星全球勘測衛星」在赫歇爾隕石坑（HerschelCrater，南緯15度，西經229度）內東側，發現一類奇怪的沙丘（圖6-3）。

沙丘中夾雜著一些深刻的紋路(grooved)，紋路中的沙子好像被強風吹走，沙丘表面猶如被膠水黏住，很像是水滲透沙丘後整體被凝固造成的效果，但真實原因仍不清楚。

圖6-3：火星塵暴產生了大規模的沙丘。

圖／MalinSpaceScienceSystems，NASA基準面火星沒有海洋，沒有海平面，地勢起伏以人為規定的基準面(DatumSurface)為準。

基準面是火星地表大氣壓為610.7帕的高度，在這個氣壓下，水的沸點為攝氏0度。

火星高地，氣壓比基準面低；火星盆地、窪地，氣壓則比基準面高，概念上與地球以一大氣壓（1.013×105帕）為海平面高度類似。

宏觀上，火星南半球地勢比基準面高，尤其在南緯25～75度之間，可高出基準面2.5公里至6.5公里不等；相反地，北半球地勢低窪，平均在基準面下2公里多，唯有連綿4,000公里的塔西斯高地高出基準面有5公里之多。

但沒人知道火星的南、北兩半球地勢差形成的原因。

塔西斯高地，包括西北方的奧林帕斯山，組成了太陽系第一火山群奇觀。

發育不良的火星可謂卯足了勁，噴出了太陽系最偉大的火山，爭取到人類對它的尊敬和讚嘆。

從塔西斯高地往東南方望過去，在赤道南邊，有一條4,500公里長、寬250公里、深8公里的水手號谷。

在地球上，美國大峽谷長450公里、寬25公里、深1.5公里，可輕易裝入水手號谷支谷裡。

東非大裂谷，長可略比，但寬、深不及。

從火星軌道上觀看，水手號谷像是被刀子刮出一道深深的傷痕，中間寬，近圓形，兩邊以錐形向東、西方向射出。

小個兒火星，又創出另一個太陽系奇觀。

除搶眼的水手號谷和巨大的火山口外，圖6-4上還有一條由南向北長達4,000多公里的凱西谷(KaseiValles)，構成塔西斯高地的東緣，如地球的長江大河，清晰可見，是火星上最大的一條乾涸河道。

圖6-4：火星赤道南邊的水手號谷。

圖／NASA，USGS雖然地質學家目前還搞不清楚塔西斯高地形成的原因，但水手號谷可能是它闖出的禍。

原因是造高地需要材料，從地下吸，會引起在水手號谷處塌方。

另一個理論認為，水手號谷是火星初期的板塊運動撕出的裂谷，但火星比地球小很多，散熱快，內部熔融的地函迅速凝固，板塊運動早已胎死腹中，未能繼續發展。

在多次去加州噴射推進實驗室出差期間，有一張奇特的水手號谷照片引起了作者極大的興趣。

這是一張由東（南緯12度，西經65度）朝西向水手號谷中央（南緯8度，西經75度）望去，非常接近火星地表的俯瞰圖片（圖6-5），谷壁結構清晰，支谷錯綜複雜，天地交接處，谷景開闊，氣勢磅礴。

谷外地形平坦，隕石坑零星分布。

這張照片有很多標題，作者最喜歡的是：「如身臨其境」(Thenextbestthingtobeingthere.)。

圖6-5：由東朝西向水手號谷中央望去的俯瞰圖片。

圖／NASA/JPL/USGS/李佩芸作者託同事打聽，找到了這張照片的作者，是當今在噴射推進實驗室工作的李佩芸，加州理工學院電腦博士，是一位傑出的電腦模擬科技領導人才。

她和她的工作小組成員使用「維京人號」原始高空照片，在電腦上轉換成低角度俯視，並增加谷深5倍，共用了842百萬位元組。

這些成果被美國地質觀測所(U.S.GeologicalSurvey,USGS)採納，製成低空飛越水手號谷的錄影帶，供大眾觀賞。

「火星全球勘測衛星」於1998年1月1日傍晚，在繞火星第80圈時，攝得一幅鑑別率高達6公尺的水手號谷中一個小谷脊照片，涵蓋了9.8公里×17.3公里的面積（圖6-6）。

照片中央為平坦的小谷脊，最寬處近6公里，兩邊斜坡陡峻，呈束狀，向北（圖上方）、南（圖下方）兩方向滑去。

岩石結構多層次，由數公尺到數十公尺不等。

在地球上，這類地形可能由沉積而成，如亞利桑那州的大峽谷，或由火山形成，如夏威夷考艾島(Kauai)上的威美亞山谷(WaimeaCanyon)。

這些層次分明、厚實的岩石結構，說明了火星地質成因有著豐富和活躍的歷史背景。

若由水手號谷大膽朝南方高緯度方向邁出，最終會抵達南極。

圖6-6：水手號谷中一個高鑑別率的小谷脊照片。

圖／NASA，USGS——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪：追尋跟著水走的火星生命》，2021年7月，三民。

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