大阪公立大学的研究团队通过在水中进行激光照射，制备出了由多种元素组成的“高熵合金”微粒，同时揭示了特定元素发生偏析的原因，并且还证实了可以对元素占比进行调控。高熵合金作为下一代材料用途广泛，该成果有望推动研发其制备技术。
对浸在水中的材料进行激光照射的情景（左）以及照射后部分材料转变为等离子体飞溅，进而生成微粒的示意图（供图：大阪公立大学）
在铜中添加锌的黄铜、在铁中添加铬的不锈钢、在铝中添加铜和镁的硬铝等，由多种元素组成的合金具有单一金属无法获得的特性。这些以往存在的合金，大多是为了改善主体金属的特性而添加了其他金属。
“高熵合金”这一概念于2004年被提出，指由5种及以上元素以近等原子比例组成的合金（含3-4种元素的为中熵合金）。人们逐渐发现，这类合金在强度、耐热性、耐腐蚀性等方面表现优异，近年来将其应用于催化剂、电极材料、生物材料、热电材料等的研究正在推进。
大阪公立大学的八桥知幸教授（光化学）对国外较少涉及的紫外激光效果以及水中制备合金展开了研究。研究团队准备了由铁、钴、镍组成的三元合金（FeCoNi）、在此基础上添加铬的四元合金（CrFeCoNi）、以及进一步添加了锰的五元合金（CrMnFeCoNi）。将各类样品浸入水中，分别照射近红外激光、可见绿色激光或紫外激光，以每秒100次的频率进行激光照射后，获得了尺寸小于1微米（千分之一毫米）、大于约0.1微米的合金亚微米颗粒。
用透射电子显微镜观察这些亚微米粒子时，小尺寸的粒子中各元素几乎均匀分布，但当直径超过0.2微米左右时，铁（Fe）、铬（Cr）、锰（Mn）分布在外侧，钴（Co）和镍（Ni）分布在内侧。元素分布可归纳为“核壳型”“新月形偏析型”“均匀分布型”和“相分离型”四种类型。据八桥教授介绍，各类激光均得到了相近的实验结果，推测这与各元素易被氧化的特性等因素存在关联。
用透射电子显微镜观测CrFeCoNi粒子内的元素分布。从Cr、Co和Ni叠加的图像（下排中央）可以看出四种类型（A核壳型、B月牙型偏析、C均匀分布、D相分离）（供图：大阪公立大学）
另外，研究团队还通过能量色散X射线谱分析（EDS）对亚微米颗粒的元素组成进行了分析，发现紫外激光制备的粒子中，随着粒径变小，元素比例发生显著变化。FeCoNi粒子中Fe的比例、CrFeCoNi粒子中Cr和Fe的比例、CrMnFeCoNi中Cr、Mn、Fe的比例分别相比原始原料显著增加，而Co和Ni则减少。可见激光也呈现相同趋势，但程度不如紫外激光明显。近红外激光几乎未引起组分变化。
将CrFeCoNi粒子按直径大于200nm（纳米，即0.2微米）和小于200nm分类，考察激光照射前后元素的增减。红色表示“增”，蓝色表示“减”（供图：大阪公立大学）
关于高熵合金的研究，大多聚焦于制备尽可能均匀混合的合金，但想要实现材料功能，有时也需要元素的偏析。本次研究中，水中紫外激光照射被认为是改变合金组分的条件，八桥教授表示：“可以说，此次研究展示了一种通过调控激光波长，使特定元素以特定比例富集于特定位置的技术路径。”
相关研究于6月1日发表在国际学术期刊《Journal of Alloys and Compounds》电子版上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Alloys and Compounds
论文：Fabrication of high- and medium-entropy transition-metal alloy submicrometer particles by ultraviolet, visible, and near-infrared subnanosecond laser ablation in aerated water
DOI：doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188970
