麻省理工学院的研究人员发现，金属即便在经历极端加工处理后，其内部仍可保留一种隐秘的原子有序结构。

数十年来，科学家们已知金属合金中蕴含着微妙的化学结构特征，但此前认为这些特征对性能的影响微不足道，或认为它们会在制造过程中消失。然而，近期实验室研究证实，这些结构特征能够显著影响金属的诸多特性，包括机械强度、耐久性、热容、抗辐射能力等。

如今，麻省理工学院的研究人员发现，通过传统制造方法生产的金属中也存在这些化学模式。这一意外发现揭示了一种新的物理现象，解释了这些模式为何能够持久存在。

在发表于《自然·通讯》的一篇论文中，研究人员阐述了他们如何追踪这些模式，并揭示了其背后的物理原理。作者们还构建了一个简易模型，用于预测金属中的化学模式，并展示了工程师如何利用该模型调控此类模式对金属特性的影响，以应用于航空航天、半导体、核反应堆等多个领域。

麻省理工学院材料科学与工程系TDK助理教授罗德里戈·弗雷塔斯解释道：“结论就是：你永远无法让金属中的原子完全随机分布。无论你如何处理，结果都是如此。”“这是首篇揭示金属中保留了这些非平衡态的论文。目前，我们在金属制造过程中，既不会对这种化学有序性加以控制，也不会对此予以关注。”

对于初出茅庐的研究者弗雷塔斯而言，这些发现证实了他在一个竞争激烈的领域中探索的价值——他曾表示，鲜有人相信该领域能取得独树一帜或影响深远的成果。他特别感谢美国空军科学研究办公室通过“青年研究者计划”对该项目提供的资助支持。此外，他还对促成这篇论文诞生的团队协作表示赞许，该论文的三位麻省理工学院博士生——马哈茂杜尔·伊斯兰（Mahmudul Islam）、曹一凡（Yifan Cao）与基利安·谢里夫（Killian Sheriff）——共同担任第一作者。

弗雷塔斯（Freitas）表示：“我究竟是否应该着手解决这个特定问题，曾一度存疑，毕竟人们已经为此投入了大量时间和精力。然而，随着我对它的深入了解，我越发意识到，研究人员们往往是在理想化的实验室环境中思考这一问题。我们希望进行尽可能逼真的模拟，以高精度地再现这些制造流程。这个项目最令我着迷之处在于，其研究结果远非直观所能预见。比如，人们未曾料到某些物质竟无法完全混合。”

从意外发现到理论构建

弗雷塔斯（Freitas）的研究团队从一个实际问题入手：金属加工过程中，化学元素混合的速度有多快？传统观点认为，在金属制造过程中的混合作用下，存在一个临界点，此时金属的化学成分会变得完全均匀。研究人员认为，通过找到这个临界点，他们可以开发出一种简单的方法，来设计具有不同原子有序程度（即短程有序）的合金。

研究人员采用机器学习技术，追踪数以百万计的原子在模拟金属加工的条件下如何移动并重新排列。

弗雷塔斯解释道：“我们做的第一件事就是对一块金属进行变形处理。这是制造过程中的常见步骤：你轧制金属，使其变形，然后再次加热，再进一步变形，这样它就能形成你所需的结构。我们就是这样做的，并追踪了化学有序性。我们认为，当你对材料进行变形处理时，其化学键会断裂，从而使系统变得随机无序。这些剧烈的制造过程本质上就是在打乱原子的排列。”

研究人员在混合过程中遇到了难题：合金从未达到完全无序的状态。这令人大感意外，因为已知的物理机制都无法解释这一结果。

研究人员在论文中写道：“这揭示了金属领域的一项全新物理特性。”“这是应用研究引领重大基础性发现的典型案例之一。”

为揭示全新的物理机制，研究人员开发了计算工具，包括高保真机器学习模型，以捕捉原子间的相互作用，同时采用新的统计方法量化化学序随时间的变化规律。随后，他们将这些工具应用于大规模分子动力学模拟，追踪加工过程中原子的重排过程。

研究人员在处理过的金属中发现了一些标准的化学排列，但这些排列出现的温度高于通常预期。更令人惊讶的是，他们还发现了在制造工艺之外从未见过的全新化学模式。这是首次观察到此类模式。研究人员将这些模式称为“远离平衡态”。

研究人员还构建了一个简单模型，该模型重现了模拟实验的关键特征。该模型阐释了化学图案如何源于被称为“位错”的缺陷——这些缺陷宛如金属内部的三维涂鸦。当金属发生形变时，这些涂鸦随之扭曲，并带动附近的原子发生位移。此前，研究人员认为这种位移会彻底破坏金属中的有序结构，但他们发现，位错对某些原子交换存在偏好，由此产生的并非随机分布，而是能解释他们研究发现的微妙图案。

弗雷塔斯表示：“这些缺陷具有化学偏好性，这种偏好性指引着它们的移动方式。它们会寻找低能量路径，因此，在面临断裂化学键的选择时，它们往往会断裂最弱的键，而且这并非完全随机。这非常令人兴奋，因为这是一种非平衡态：在自然界中，你不会在材料中看到这种现象。这就像我们的身体处于非平衡状态一样。外界的温度总是比我们的身体温度高或低，而我们通过维持这种稳态平衡来保持生命活力。金属中之所以存在这些状态，原因就在于内部趋向无序的推动力与断裂特定化学键（这些键总是比其他键更弱）的趋向有序的倾向之间取得了平衡。”

应用新理论

研究人员目前正在探究，在多种制造条件下这些化学模式是如何形成的。其成果是一张将金属加工的各个步骤与金属中不同化学模式相关联的图表。

迄今为止，这种化学排列及其调控的特性在很大程度上被视为一个学术课题。借助这张图表，研究人员希望工程师们能开始将这些排列模式视为设计中的杠杆，在生产过程中加以运用，从而获得新的特性。

弗雷塔斯在谈及驱动化学反应的这一过程时表示：“研究人员一直在探究这些原子排列方式如何改变金属特性——其中一项重要特性便是催化作用。电化学作用发生在金属表面，且对局部原子排列极为敏感。此外，还有一些特性，人们原本不会认为会受这些因素影响，比如辐射损伤也是一大关键因素，它会影响这些材料在核反应堆中的性能。”

研究人员已告知弗雷塔斯，该论文有助于解释有关金属特性的其他意外发现，他也期待该领域能从化学秩序的基础研究转向更具应用性的工作。

弗雷塔斯表示：“你可以想象一下航空航天等领域对高性能合金的迫切需求，他们关注的是极为特定的成分配比。如今，先进制造技术让我们能够通过变形处理，将原本难以融合的金属结合在一起。理解这些工艺中原子如何实际重排与混合至关重要，因为这是兼顾强度提升与低密度保持的关键所在。因此，这项技术对他们而言意义非凡。”

参考文献：马哈茂杜尔·伊斯兰（Mahmudul Islam）、基利安·谢里夫（Killian Sheriff）、曹一凡（Yifan Cao）与罗德里戈·弗雷塔斯（Rodrigo Freitas）发表于《自然·通讯》（Nature Communications）2025年10月8日刊的文章《金属合金中的非平衡化学短程有序》 DOI：10.1038/s41467-025-64733-z

本研究部分得到了美国空军科学研究办公室、MathWorks 公司以及麻省理工学院-葡萄牙项目的资助。