長久以來，材料科學界普遍認為，在高溫、高壓或極端變形的製造過程中，金屬中的原子排列會被「攪亂」至完全隨機的狀態。然而，麻省理工學院（MIT）最新研究卻顛覆了這一認知——即使經歷極端加工，金屬中仍潛藏著微妙且持續存在的原子化學模式。這一突破不僅改寫了金屬物理學的基本理論，也為航空航太、半導體與核能材料設計帶來新的可能。
目錄
打破傳統理論：金屬不會完全隨機化
由MIT材料科學與工程系助理教授羅德里戈・弗雷塔斯（Rodrigo Freitas）領導的團隊，利用高保真度機器學習模型追蹤了數百萬個原子在極端加工條件下的行為。結果發現，金屬合金中的化學元素並非如以往假設般「均勻混合」，而是保留了一定程度的局部秩序。
這項研究發表於《自然通訊》（Nature Communications），揭示了一種被稱為「非平衡態化學模式（non-equilibrium chemical pattern）」的新現象。也就是說，在外力變形與高溫作用下，金屬原子間仍會形成穩定的結構特徵，而非隨機散布。
弗雷塔斯指出：「你永遠無法完全隨機化金屬中的原子。這一認識將改變我們設計金屬的方式。」
機器學習揭祕：追蹤原子間的微觀行為
研究團隊使用了結合人工智慧與分子動力學的模擬技術，重現真實製造環境下的金屬變形過程。透過觀察，他們發現即便金屬經過反覆加熱與變形，原子間仍呈現出明顯的化學偏好——某些原子更傾向彼此靠近，形成穩定的區域結構。
這些現象源自於金屬內部的「位錯（dislocation）」缺陷。位錯在變形過程中會像「三維塗鴉」般穿梭於晶格之間，重新排列周圍原子，但這種重新排列並非完全隨機。相反地，位錯更傾向於破壞能量較低的化學鍵，導致特定原子之間形成可預測的局部模式。
這意味著，所謂的「隨機混合」其實是一種幻覺——金屬中的秩序，始終潛伏其中。
非平衡態化學：揭示金屬新物理原理
這項發現代表了一個全新的物理原則：即使在極端條件下，金屬中的化學秩序也能持續存在。研究團隊首次觀察到所謂的「遠離平衡態」模式，這些模式在正常情況下並不會出現，卻在加工過程中被暫時穩定下來。
MIT團隊進一步建立了一個簡化模型，能夠預測不同加工條件下金屬內部化學模式的形成方式。這種模型不僅可用於基礎研究，也能成為工程師設計新合金的重要工具。
應用潛力：改變未來金屬設計的關鍵
這項研究的影響不僅止於理論。藉由掌握金屬內部的「非隨機秩序」，工程師將能夠在製造階段精確調整材料結構，以改善其強度、耐久性、熱穩定性與抗輻射性。
舉例而言，在航空航太產業中，了解原子排列規律有助於製造出更輕、更強的合金；在半導體領域，微觀化學模式可影響導電性與熱傳導；而在核能材料中，這些結構可能提升對輻射損傷的抵抗力。
弗雷塔斯指出：「這項研究為設計高性能合金開啟了新方向——我們不再只是調整元素比例，而是能主動設計原子之間的排列邏輯。」
從偶然到理論：MIT推動材料科學新時代
這項成果也凸顯了MIT在材料科學領域的持續創新。除了金屬結構研究外，該校團隊亦在二維金屬、量子材料等前沿領域持續取得突破。研究者希望未來能繪製出「化學模式地圖」，幫助產業界將這些微觀秩序轉化為實際製造的控制參數，為新一代金屬材料開啟全新設計思維。
結論
MIT的這項研究提醒我們，材料世界遠比我們想像得更有秩序。金屬中看似隨機的原子排列，其實蘊藏著深層規律。當人類學會理解並利用這些「非平衡態秩序」，我們將能重新定義金屬強度的極限，並推動航太、半導體與能源領域的下一波革命。
參考資料:
- MIT 顛覆金屬理論：原子結構加工後仍保持秩序，改寫材料設計思維
- Scientists Find Secret Atomic Patterns in Common Metals, Challenging Decades of Theory
- “金屬合金中的非平衡化學短程有序”，作者：Mahmudul Islam、Killian Sheriff、Yifan Cao 和 Rodrigo Freitas，2025 年 10 月 8 日，Nature Communications。 DOI：10.1038/s41467-025-64733-z
首圖來源:Rodrigo Freitas
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