碳化物传统上是由碳和另一种元素组成的化合物。当与钛或钨等金属配对时，产生的材料非常坚硬且难以熔化。这使得碳化物成为切削工具或航天器部件表面涂层等应用的理想选择。

含有三种或三种以上元素的少量复杂碳化物也存在，但在实验室以外或工业应用中并不常见。这主要是由于很难确定哪些组合可以形成稳定的结构，更不用说具有理想的性质了。

杜克大学(Duke University)和加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的一组材料科学家宣布，他们发现了一类新的碳化物，可以同时将碳与五种不同的金属元素结合在一起。研究结果将于11月27日在线发表在该杂志上自然通讯．

杜克大学的研究人员通过计算预测了这些材料的存在，然后在加州大学圣地亚哥分校成功地合成了这些材料，这些材料是通过原子的混沌混合而不是有序的原子结构来实现稳定性的。

杜克大学机械工程和材料科学教授Stefano Curtarolo说:“这些材料比目前的碳化物更硬，重量更轻。”“它们还具有非常高的熔点，由相对便宜的材料混合物制成。这些属性的组合将使它们在广泛的行业中非常有用。”

当学生学习分子结构时，他们会看到像盐这样的晶体，就像一个三维棋盘。这些材料通过规则有序的原子键获得稳定性和强度，原子键就像拼图一样拼合在一起。

然而，晶体结构中的缺陷往往可以增加材料的强度。例如，如果裂缝开始沿着一条分子键线传播，一组错位的结构可以阻止裂缝的发展。固体金属的硬化是通过加热和淬火的过程来实现的，这种过程被称为退火。

新一类的五金属碳化物将这个想法提升到了一个新的水平。这些材料的稳定性不再依赖于晶体结构和化学键，而是完全依赖于无序性。虽然一堆棒球本身是站不住脚的，但一堆棒球、鞋子、球棒、帽子和手套就可以了。

困难在于预测哪一种元素组合会稳固。尝试制造新材料既昂贵又费时。通过第一性原理模拟计算原子相互作用更是如此。有5个金属元素槽和91个可供选择的槽，潜在的食谱数量很快就变得令人望而生畏。

Curtarolo实验室的博士后研究员Pranab Sarker是这篇论文的第一作者之一，他说:“为了找出哪些组合能很好地混合，你必须做一个基于熵的光谱分析。”“熵非常耗时，而且很难通过逐个原子建立模型来计算。所以我们尝试了一些不同的东西。”

该团队首先将成分范围缩小到八种已知的可以产生高硬度和高熔化温度的碳化物的金属。然后，他们计算了一个潜在的五金属碳化物形成一个大的随机结构需要多少能量。

如果结果相差很大，这表明这种组合可能更倾向于单一的结构，然后分崩离析——就像混合了太多的棒球一样。但如果有许多结构紧密地聚集在一起，这表明材料可能会同时形成许多不同的结构，提供结构稳定性所需的无序性。

然后，该小组通过让其同事、加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授肯尼斯·维奇奥(Kenneth Vecchio)尝试实际制造九种化合物来验证其理论。这是通过将每种配方中的元素混合成精细的粉末形式，在高达4000华氏度的温度下压制它们，并直接通过2000安培的电流来完成的。

“学习处理这些材料是一项艰巨的任务，”维奇奥实验室的博士生、该论文的共同第一作者泰勒·哈林顿(Tyler Harrington)说。“它们的行为与我们处理过的任何材料都不同，甚至与传统的碳化物也不同。”

他们选择了系统认为最有可能形成稳定物质的三种配方，最不可能形成稳定物质的两种配方，以及得分介于两者之间的四种随机组合。正如预测的那样，三个最有可能的候选人成功了，而两个最不可能的候选人失败了。4名中等得分者中有3名也形成了稳定的结构。虽然这些新的碳化物都可能具有理想的工业性能，但有一种不太可能的组合脱颖而出——钼、铌、钽、钒和钨的组合，简称为MoNbTaVWC5。

柯塔洛实验室的助理研究教授科马克·托赫(Cormac Toher)说:“让这组元素结合起来，基本上就像试图把一堆正方形和六边形挤在一起。”“单凭直觉，你永远不会认为这两种组合是可行的。但事实证明，最优秀的候选人实际上是违反直觉的。”

Curtarolo说:“我们还不知道它的确切特性，因为它还没有经过全面的测试。”“但一旦我们在接下来的几个月里把它送入实验室，如果它被证明是有史以来熔点最高、最硬的材料，我不会感到惊讶。”

维奇奥说:“这次合作是一个研究小组的重点，他们致力于展示这种新方法独特的、潜在的改变范式的影响。”“我们正在使用创新的第一原理建模方法，结合最先进的合成和表征工具，为先进材料的发现提供集成的‘闭环’方法。”