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高熵合金（HEA）是由四种、五种或更多种不同元素组成的复杂金属合金。这种结构导致体系具有较高的混合熵，有利于在较高温度下形成无序固溶体，因此焓值在确定其组成、相和长程序（LRO）方面起着关键作用。而当HEA经历元素分离、沉淀和化学排序时，会出现大量的无序现象，但就短程有序（SRO）是否存在、有何性质来说，仍不能确定。
来自美国密苏里大学堪萨斯城分校物理与天文学系的Wai-Yim Ching领导的团队，介绍了电子结构、原子间成键、总键序密度(TBOD)和局部键序密度(PBOD)的应用，以解决对HEAs形成理论的基本理解及其潜在应用的挑战。他们通过使用先进的大型超胞建模方法研究了13种生物仿生设计的HEAs的电子结构、原子间键合和机械性能，得到了许多对新的和深入的结果，对生物相容性HEAs的发展和应用至关重要。他们指出，使用TBOD和PBOD作为评价多组分合金基本性能的关键指标时，具有独特的优势：即使不考虑HEA的原子组成、成分和大小，它们都可以直接相互比较。此外，单胞中包含有每对原子间的键合信息，并将单胞作体积归一化处理后，该方法就可直接拓展应用到其它材料体系。这一特性与其他基于基态能量的焓值计算方法有很大不同，对于不同组成的多组分HEAs，基于基态能量的焓值计算方法是非常繁琐和费时的。而该方法巧妙利用了键序密度，在保证计算精度的情况下，大幅压缩了计算成本。 该文近期发表于npj Computational Materials 6: 45 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Fundamental electronic structure and multiatomic bonding in 13 biocompatible high-entropy alloys
Wai-Yim Ching, Saro San, Jamieson Brechtl, Ridwan Sakidja, Miqin Zhang & Peter K. Liaw
High-entropy alloys (HEAs) have attracted great attention due to their many unique properties and potential applications. The nature of interatomic interactions in this unique class of complex multicomponent alloys is not fully developed or understood. We report a theoretical modeling technique to enable in-depth analysis of their electronic structures and interatomic bonding, and predict HEA properties based on the use of the quantum mechanical metrics, the total bond order density (TBOD) and the partial bond order density (PBOD). Application to 13 biocompatible multicomponent HEAs yields many new and insightful results, including the inadequacy of using the valence electron count, quantification of large lattice distortion, validation of mechanical properties with experiment data, modeling porosity to reduce Young’s modulus. This work outlines a road map for the rational design of HEAs for biomedical applications.
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