加热一块铁时，在熔化之前，铁原子的排列会发生数次变化。这种不同寻常的行为，是钢材如此坚固且无处不在的原因之一；从茶壶到摩天大楼，钢材都发挥着重要作用。然而，铁究竟为何以及如何呈现如此多种形态，具体机制一直是个谜。不过，加州理工学院工程与应用科学部近期的研究提供了证据，说明铁的磁性如何影响这一奇特性质——这一认识有望帮助研究人员开发更优质、更坚固的钢材。
“数千年来，人类一直在使用普通的铁，但关于它的热力学，有一个方面至今仍无人真正理解，” 布伦特·富尔茨说。他是芭芭拉与斯坦利·R·劳恩（小）材料科学与应用物理学教授。
热力学定律支配着材料的自然行为，例如水的沸点以及化学反应发生的时机。这些原理同样决定固体中原子的排列；就铁而言，在高温下，大自然会数次改变其“想法”。室温下，铁原子处于一种不同寻常、排列疏松且开放的结构中；铁加热到超过 912 摄氏度时，原子排列得更加紧密；到了 1,394 摄氏度，它们又变得疏松，最终在 1,538 摄氏度熔化。
铁在室温下具有磁性。此前的研究预测，铁的磁性有利于其在低温下形成开放结构，但铁在 770 摄氏度时会失去磁性。然而，超过这一磁性转变温度一百多摄氏度后，铁仍保持着开放结构。这使研究人员认为，必定还有其他因素影响铁不同寻常的热力学性质。
为了找到这一缺失的环节，研究生丽莎·莫格和同事们需要进一步升高温度。固体以微小的原子振动储存热量——这些振动会带来无序，也就是熵。在高温下，熵主导热力学过程，而原子振动是铁中熵的最大来源。研究人员希望通过研究温度升高、磁性消失时这些振动如何变化，进一步了解促成这些结构重排的因素。
为此，研究团队将铁样品带到位于伊利诺伊州阿贡的阿贡国家实验室先进光子源中的高压协作访问团队光束线。该同步辐射设施可产生强烈的 X 射线闪光，并将其调节至能够探测铁中原子振动量子粒子——即声子激发态——的能量。
将这些振动测量结果与此前已知的铁在相应温度下的磁性数据结合后，研究人员发现，铁的振动熵远高于最初的估计。事实上，超出部分与磁性带来的熵贡献相近，这表明在中等温度下，磁性与原子振动会产生协同相互作用。即使样品加热到超过磁性转变温度，这一额外熵也会提高铁的开放结构的稳定性。
这项技术使研究人员首次通过实验得出结论：磁振子——电子自旋（磁性）的量子粒子——与声子相互作用，从而提高铁在高温下的稳定性。
由于加州理工学院团队的测量结果与马克斯·普朗克铁研究所有限公司（MPIE）约尔格·诺伊格鲍尔实验室合作者同时开展的理论计算相吻合，莫格的研究结果也为一种新的计算模型提供了验证依据。
“长期以来，人们一直推测，铁的结构稳定性与磁性和原子运动之间的内在耦合密切相关，”MPIE 博士后研究员、计算论文第一作者弗里茨·克尔曼说。“真正发现这种耦合，而且实验同事的数据与我们自己的计算结果高度吻合，确实令人振奋。”
“只有将量子力学、统计力学和热力学等不同科学领域的方法与专业知识结合起来，并借助极其强大的超级计算机，才有可能描述这种复杂动态现象——它发生在一种应用最广泛的技术结构材料内部，”诺伊格鲍尔说。“新获得的关于铁如何实现热力学稳定性的认识，将有助于更系统地设计新型钢材。”
数千年来，冶金学家一直致力于制造更坚固的钢材，他们采用的方法与尝试研制世界上最美味的饼干配方颇为相似：反复猜测和试验。钢材以铁和碳这类基本成分为基础，就像基础饼干面糊以面粉和黄油为基础一样。正如人们可以通过改变香料、坚果等其他配料的用量来调整饼干配方，钢材的性能也可以通过添加不同比例的其他元素（如铬和镍）来调节。
有了更完善的铁在不同温度下的热力学计算模型——该模型同时考虑磁性和原子振动的影响——冶金学家现在能够在调整配方时，更准确地预测铁合金的热力学性质。
本文由 加州理工学院合作发布。本文发布并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：杰西卡·斯托勒-康拉德为加州理工学院撰稿。
图片：一名员工在山西省太原市的一家钢铁厂工作。路透社/斯金格
