大阪公立大學的研究團隊通過在水中進行雷射照射，製備出了由多種元素組成的「高熵合金」微粒，同時揭示了特定元素發生偏析的原因，並且還證實了可以對元素佔比進行調控。高熵合金作為下一代材料用途廣泛，該成果有望推動研發其製備技術。
對浸在水中的材料進行雷射照射的情景（左）以及照射後部分材料轉變為電漿銲濺物，進而生成微粒的示意圖（圖片提供：大阪公立大學）
在銅中添加鋅的黃銅、在鐵中添加鉻的不鏽鋼、在鋁中添加銅和鎂的硬鋁等，由多種元素組成的合金具有單一金屬無法獲得的特性。這些以往存在的合金，大多是為了改善主體金屬的特性而添加了其他金屬。
「高熵合金」這一概念於2004年被提出，指由5種及以上元素以近等原子比例組成的合金（含3-4種元素的為中熵合金）。人們逐漸發現，這類合金在強度、耐熱性、耐蝕性等方面表現優異，近年來將其應用於催化劑、電極材料、生物材料、熱電材料等的研究正在推進。
大阪公立大學的八橋知幸教授（光化學）對國外較少涉及的紫外雷射效果以及水中製備合金展開了研究。研究團隊準備了由鐵、鈷、鎳組成的三元合金（FeCoNi）、在此基礎上添加鉻的四元合金（CrFeCoNi）、以及進一步添加了錳的五元合金（CrMnFeCoNi）。將各類樣品浸入水中，分別照射近紅外光雷射、可見綠色雷射或紫外雷射，以每秒100次的頻率進行雷射照射後，獲得了尺寸小於1微米（千分之一毫米）、大於約0.1微米的合金亞微米顆粒。
用穿透式電子顯微鏡觀察這些亞微米粒子時，小尺寸的粒子中各元素幾乎均勻分布，但當直徑超過0.2微米左右時，鐵（Fe）、鉻（Cr）、錳（Mn）分佈在外側，鈷（Co）和鎳（Ni）分佈在內側。元素分佈可歸納為「核殼型」「新月形偏析型」「均勻分布型」和「相分離型」四種類型。據八橋教授介紹，各類雷射均得到了相近的實驗結果，推測這與各元素易被氧化的特性等因素存在關聯。
用穿透式電子顯微鏡觀測CrFeCoNi粒子內的元素分佈。從Cr、Co和Ni疊加的圖像（下排中央）可以看出四種類型（A核殼型、B月牙型偏析、C均勻分布、D相分離）（圖片提供：大阪公立大學）
另外，研究團隊還通過X光能量散布能譜分析（EDS）對亞微米顆粒的元素組成進行了分析，發現紫外雷射製備的粒子中，隨著粒徑變小，元素比例發生顯著變化。FeCoNi粒子中Fe的比例、CrFeCoNi粒子中Cr和Fe的比例、CrMnFeCoNi中Cr、Mn、Fe的比例分別相比原始原料顯著增加，而Co和Ni則減少。可見雷射也呈現相同趨勢，但程度不如紫外雷射明顯。近紅外光雷射幾乎未引起成分變化。
將CrFeCoNi粒子按直徑大於200nm（奈米，即0.2微米）和小於200nm分類，考察雷射照射前後元素的增減。紅色表示「增」，藍色表示「減」（圖片提供：大阪公立大學）
關於高熵合金的研究，大多聚焦於製備儘可能均勻混合的合金，但想要實現材料功能，有時也需要元素的偏析。本次研究中，水中紫外雷射照射被認為是改變合金成分的條件，八橋教授表示：「可以說，此次研究展示了一種通過調控雷射波長，使特定元素以特定比例富集於特定位置的技術路徑。」
相關研究於6月1日發表在國際學術期刊《Journal of Alloys and Compounds》電子版上。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Alloys and Compounds
論文：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
