科學家開發出世界上最耐磨的合金，摩擦中還會自合成類鑽碳膜
桑迪亞國家實驗室（SNL）材料科學團隊近日設計出一種鉑金合金（platinum-gold alloy），被認為是世界上最耐磨的金屬。這種金屬究竟有多耐磨呢？根據團隊估計，如果你的車胎是以這種金屬製成，在胎面受損到必須更換以前，你可以沿著赤道甩尾（不是駕駛，是甩尾）繞行地球 500 圈。
根據團隊估計，這種鉑金合金強度約比高強度鋼高上 100 倍，這也讓它成為第一種能躋身於鑽石、藍寶石之列、與大自然中最耐磨材料相比擬的合金。
雖然金屬被認為是堅硬的，但當它們反覆與其他金屬摩擦時（像是引擎）也會磨損、變形並腐蝕，儘管在電子設備中可以透過一些貴金屬塗層來進行保護，但這些塗層材料不僅很貴，在日復一日的相互擠壓和滑動下，塗層也會逐漸不起作用。
當然，SNL 的鉑金合金塗層也會在摩擦過程中磨損，只是磨損的速度則遠慢於我們的想像；如果用這種合金製成金屬輪胎，1 英里（約 1.6 公里）的甩尾駕駛大約也只有一層原子會被消耗。
論文作者、材料科學家 Nic Argibay 認為，這種超耐用塗層材料將可以為電子產業每年省下超過 1 億美元的材料費用，從航空航天系統、風力發電機到用於手機和雷達系統的微電子，各種尺寸、跨行業的電子產品都有望能更具成本效益、持久和可靠度。
未參於研究的 SNL 工程師 Chris Nordquist 指出，這些耐磨材料可能為我們探索的一系列設備提供可靠性優勢，「整合和改進的機會取決於設備，但這種材料提供了另一種工具，來解決現在金屬微電子元件在可靠度上的限制。」
事實上，90% 鉑金和 10% 黃金的金屬組合並不新鮮，但團隊使用的工程技術與概念是全新的。過去傳統觀點認為，金屬承受摩擦的能力取決於它的硬度，但 SNL 團隊提出了一種新理論，金屬的磨損不是看硬度，而是與如何對熱反應有關，為此他們精心挑選金屬、比例和製造工藝，希望藉此證明他們的理論。
論文第一作者 John Curry 指出，許多傳統合金在開發上透過減小晶粒尺寸來增加材料的強度，但即使如此，在極端的壓力和溫度條件下，許多合金仍然會變得粗糙或變軟，特別是在金屬疲勞時。「我們的鉑金合金在機械和熱穩定性上都非常出色，在滑動過程中長時間的循環應力作用下，也沒有看到對微觀結構產生太多的改變。」
合金的外觀就像普通的鉑金一樣呈現銀白色，重量則比純金略重一些。在製作上並不比其他鉑金合金更難，但在抗熱和耐磨性方面要好得多。
許多科學領域的團隊都會計算工具來消除研究和開發中的大量猜測，而團隊採取的方式也是相同的。透過對單個原子如何影響材料整體屬性模擬，團隊得以深入研究基本的原子機制和微觀結構，並將所有這些事情聯繫在一起，進而設計出能夠提供良好性能的合金。
值得一提的是，團隊在某天的實驗中還有了意外的驚喜發現。在測量合金的磨損情況時，團隊無預期的發現有黑色薄膜在頂部形成，而那是類鑽碳膜（DLC），世界上最好的人造塗層材料之一，它能像石墨一樣光滑，像鑽石一樣堅硬。
類鑽碳膜需要特殊的條件才能製造，價格也非常昂貴，但合金卻能在過程中自發性的合成出來。團隊認為，這是因為合金具有的穩定性和固有的耐磨性，允許來自環境的含碳分子在滑動過程中粘附和降解，最終類鑽碳膜就此產生。
這種現象進一步提高 SNL 鉑金合金令人印象深刻的表現，未來甚至還可以成為更簡單、更具成本效益的方法來大量生產優質潤滑膜。鉑金合金的研究內容已經在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上刊登，而自合成類鑽碳膜的內容則可在《Carbon》期刊中找到。
（首圖來源：Sandia Labs）