中研院院士葉均蔚獲邀中醫大專題演講：「改寫材料史的成分大發現」
(中央社訊息服務20260609 17:11:00)傳統合金幾乎都以一個金屬元素為主，而「高熵合金」則顛覆此傳統觀念，係由多個主元素所構成；鮮為人知的是，高熵合金材料發源於臺灣，改寫了材料發展史，進而帶動世界各國及國際學者紛紛投入研究高熵領域，使其成為顯學，創新發明家中央研究院葉均蔚院士被國際譽為「高熵合金之父」！
中國醫藥大學通識教育中心「博雅經典講座」，5月6日晚邀請中央研究院葉均蔚院士蒞校專題演講「改寫材料史的成分大發現」，述說個人科學創見，回顧昔日如何在零起點及飽受質疑聲中，以堅定心情突破萬難，化不可能為可能，進而發展產業化的應用，同時分享個人生命哲學及人生智慧。
講座由林昭庚講座教授主持並介紹主講人葉均蔚院士，稱許他開創了「高熵合金」新材料領域，為材料命名及定義，更提出高熵、晶格扭曲、緩慢擴散及雞尾酒四大核心效應，同時有策略的發表尖端研究論文，進而帶動全球高熵論文指數性的成長，影響廣大且深遠。
近年來，葉均蔚院士帶領團隊將高熵材料科技產業化，成立高熵材料科技股份有限公司，製造高熵材料提升國內外產業水準；此次博雅經典講座，江安世校長、王陸海院士、陳悅生主任秘書偕師生參與，位於水湳校區卓越大樓B2國際會議廳座無虛席，會後開放提問，會場氣氛熱絡，聆聽師生獲益良多。
每個人，人生都有很多重要的轉折，他也不例外；現任國立清華大學材料科學工程系特聘研究講座教授葉均蔚院士，出生在宜蘭南澳的鄉下，他演講開場先敘述說自己念書成長的美好記憶，接著談到主題合金材料時興致盎然；自古一個迷思，春秋末，戰國初，就有一個技術手冊叫《考工記》，這是中國第一個工匠總結經驗所寫的技術手冊，它教怎麼樣做青銅材料、怎麼去做鑄造，“金有六齊：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。＂金就是銅的意思，錫如果佔七分之一，它的比例就約14.3%的錫含量。它可以鑄造成鐘鼎類。錫如果加多的話，它會變得更硬、更強，可以做斧金，然後做武器，但是加太多錫，就變脆了，加50%的錫變得很脆，因容易磨光拋光，古時候就利用它來做銅鏡，若摔在地上就容易破掉，破鏡難重圓。
葉均蔚院士形容，蘋果汁跟甘蔗汁混在一起很好喝，可是如果結塊，就不好喝，但果汁間很容易混合，通常不結塊。那材料呢？銅跟錫容易結塊，形成銅錫化合物散佈材料內部，錫加多，化合物越多，就越硬越脆。如果是三個元素在一起，「鎳-錫-鋅」，錫跟鎳會產生化合物相，鋅跟鎳也會產生化合物相，三個元素在一起還會產生六種三元化合物相，所以元素越多種，就越多化合物相形成，就越硬越脆。
人類的文明史跟材料的進步息息相關。一萬年前進入了新石器時代，開始會燒陶。大概6000年前，在埃及進入青銅器時代，在3000年前進入鐵器時代，一直到工業革命大概1750年到1850年之間，科學及技術才大幅發展。在18世紀之前，人類所知道的元素只有13個元素而已，包括金、銀、銅、鐵、錫、碳、硫、磷、砷等，在這個之前，可以說是銅器時代、鐵器時代主宰幾千年，在18世紀發現43個元素，19世紀發現了32個元素，到19世紀末跟20世紀初，因為有新的元素出現，而且可以量產，所以就開始開發新的合金。
譬如說有鋁了，就開始研究開發「鋁合金」來應用於輕量化結構；有鎳就研究開發鎳合金，鎳與鉻加到鐵裡面，變不鏽鋼；鈦就作鈦合金，鎂就作鎂合金等，所以有很多高級合金材料，如雨後春筍般發展出來，帶動科技發展。
但科學家經過幾十年的研究，在1960年代材料配方的開發就接近飽和了，該發展的都發展，很難有新配方的新發現。所以1960年代以後，主要靠製程，用新的製造方法，把材料的強度、韌性或一些性質提升，因此成分的進化跟進步很有限。
2004年，葉均蔚院士正式發表了「高熵合金」的概念跟相關的論文，2004年是材料配方大發現的里程碑；以前週期表以一個元素為主，比如鐵做鋼鐵、鈷做鈷合金、鎳做鎳合金、銅做銅合金。這個觀念被他打破了，事實上可以拿很多種元素做成合金材料，就是高熵合金材料，所以利用這個觀念可展開無數配方，也就是創造了週期表的第二春。
葉均蔚院士做了兩個定義，第一個用成分來定義，含有五個主要元素以上，每個主要元素所佔原子百分比介於5%到35%之間，也就是沒有一個元素超過35%原子百分比。也可以添加次要元素小於5%。若由週期表任取13個元素，任取5個、6個、7個、8個、9個、10個、11個、12個及13個來做高熵合金，這個組合數就有7099種，每一個組合，都可以把它設計成等原子比或是非等原子比，也可以加一些次要元素去改良它的性質。
在這個概念之下，一下子展開了無數的合金系統出來。以往傳統以一個元素為主，由鐵、鈷、鎳等到昂貴的白金、黃金，只不約30種合金系統，在葉均蔚院士研究概念之下，創造無限多個合金系統，研究不完。
第2個定義以組態熵值來定，很少人會給第2個定義的；葉均蔚院士快慰的說：「因為是我發明的，所以我有權去定義它」；就是從成分去算「熵」，假設這個成分是完全融在一起，而沒有形成化合物，這種混合狀態，原子排列組合的方式最多，所以「組態熵」最大，如果成分分離或形成化合物，排列數就少了。混和態，熵最大，可以帶入熱力學的典型公式去計算等原子比例合金每莫耳的組態熵，△S = Rln N （N是元素數目，R是理想氣體常數）；只有一個元素時，就沒有這個混合排列數，個，所以它的熵是0，因為Natural log 1等於0，如果是兩個元素各百分之50，算出來就是0.69R，元素愈多的熵就越來越大。
葉均蔚院士說，我第1個定義是五個元素以上，所以我就在四元素及五元素的組態熵之間切割，如果一個合金的組態熵算出來大於1.5R，就稱高熵合金；傳統材料是一個或是兩個元素為主，所以我定義1R以下為低熵， 3個元素或四個元素為主就稱中熵；所以實務上有兩個定義，只要符合一個定義，就稱高熵合金。
葉均蔚院士把合金的世界分成了3大塊。中間是傳統合金，一個元素為主，稱為低熵合金，熵值小於1R。最外面大於1.5R，稱為高熵合金，那中間區域當然就稱為中熵合金。發表論文後，大家也接受我這種做法，需要一提的是，我研究高熵合金時，很快就想到這個觀念事實上可以用在其他材料：陶瓷材料、高分子材料、複合材料，都可以利用同樣的概念，就是多元來做材料。所以在合金之外，這觀念拓展到陶瓷，就有低、中、高熵陶瓷；高分子也是一樣，因此就把整個材料世界都展開了，葉院士把傳統材料的框框打破，把所有材料世界展開出來，現今很多人在做高熵陶瓷及高熵高分子的研究。
但是光有定義、畫個圖還不夠，要給它理論基礎，理論很重要。所以葉均蔚院士提出高熵材料理論基礎，「4大核心效應」：一、熱力學的高熵效應：這是最重要的效應，因為讓多元可以混合在一起，而不會形成化合物。二、晶體學的嚴重晶格扭曲效應：晶體，就是原子蓋的房子，多元素原子蓋的房子，會嚴重扭曲，雖然變成結晶，但是晶體是扭曲的。三、動力學的緩慢擴散效應：譬如說我們做熱處理，冷卻或升溫，原子都會擴散，造成微結構及材料性質的改變，如今多元素下的動力學問題，就有緩慢擴散效應。四、性質上的雞尾酒效應：因為這麼多元素在合金裡面，互相交合作用集體表現的性質就是雞尾酒效應。
葉均蔚院士說明高熵效應，假設五個元素沒有混合，排列方式只有一種。如果混在一起，這種狀態熵大，自由能低，自由能越低越穩定。如果形成化合物，這種狀態熵小，會不穩定，所以在很多元素下，反而會有高亂度或高熵效應產生，促進混合態而不形成化合物，混合態是好的狀態，材料性質會變好，若成化合物態，材料就脆了。
葉院士說明晶格扭曲效應，理論上純元素排出來是非常整齊的晶體，但是很多元素時，原子有大有小，排出來的晶體，就會扭來扭去，這樣的晶格扭曲，會影響性質，例如硬度、強度、導電率等。
葉均蔚院士做一個研究，一元鎳，二元鈷鎳、三元鐵鈷鎳、四元鐵鈷鎳鉻、五元鐵鈷鎳鉻錳，都是等原子比，結果它的強度跟延展性都變好，一般而言強度變大，伸長率就變小。可是只是把元素的數目增加，竟然兩個都變大，真是匪夷所思，所以很多人研究到底是什麼機制並發表論文。
葉院士接著說明緩慢擴散效應，因為晶格扭曲，讓原子擴散速率較慢，擴散變慢帶來很多好處，譬如說使合金在高溫下變穩定，在應用的時候更穩定，葉院士為了證明這一點，指導一名博士生研究高熵合金的擴散實驗，去證明這些元素在多元高熵合金基底裡面，擴散確實是慢的。從一元、三元、到五元合金去做比較，結果發現原子在五個元素基底裡面擴散速度是最慢的，所以他用這個數據來證明緩慢擴散效應，這篇擴散論文已被引用超過2000次。。
「雞尾酒效應」是因為很多元素在一起共同表現特性，再加上元素之間交互作用產生額外的性質表現，我們可以巧妙的應用這些交互作用，讓性質更好。我們做材料開發，一定要懂這些交互作用的影響，才能得心應手設計成分及製程，以使得性質提升。
葉均蔚院士提出的高熵材料4大效應，美國空軍團隊看到論文時十分震驚，他們去做實驗，結果證明是對的，那麼多元素，竟然可以混在一起，變成單一相，全部混在一起，強度非常好，強度到攝氏1600度（鋼鐵到1500多度就融化了），比室溫下的不鏽鋼還更強，它就是利用雞尾酒效應去設計的。
在高熵成分的概念下，帶動了高熵材料的開發及蓬勃發展。把它多元化，就可以加一個「高熵」，如超合金、耐火合金、共晶合金、介金屬、奈米合金、陶瓷合金、碳化物、氮化物、氧化物、燒結碳化鎢、高分子、有機化合物跟複合材料等。像奈米科技，只要把材料做得很微細，100 Nano（奈米）以下，就稱為奈米材料。
葉均蔚院士表示，以前Nano很出名，研究計畫容易通過，現在High-entropy「高熵」也是一樣，容易通過。他告訴同學，什麼事情都要看得很遠，要計天下之利，不要看眼前的小利。事實上他在開發的時候，就知道，只要一發表就會很快帶動全世界。
「8年磨一劍，奠定台灣發源地及領導地位。」他累積8年數據、經驗跟理論後，在2004年一口氣發表5篇論文，以後每年平均10篇，所以國外科學家進來研究時，就已發表許多篇了，這8年中，他數據累積很多，理論基礎也想得很清楚，所以他第一篇發表的論述，能跟現在發表的論述不矛盾。相反地，如果他急於發表論文，大家就會很競爭，台灣的功勞就會被埋沒，所以他忍耐了八年沒有發表高熵材料的論文，就是要讓高熵材料是發源於台灣，如果不這樣想，他也很難拿到院士。
高熵材料可以用在哪裡？應用範圍很廣泛，民生、交通、航太、模具、電子、能源、生醫等到處都可以用，傳統材料可以用在各行各業，高熵材料也是一樣，成分配方不同而已，因為傳統材料有它的瓶頸，無法滿足所有的需求，所以現在很多人跳到高熵材料的配方觀念去挖寶，去設計，看看能不能滿足要求，取代傳統材料，比如說噴射引擎，很多人在研究高熵合金以提高操作溫度，增加引擎效率。核融合方面，在輻射照射之下，反應爐怎麼樣不會產生損傷？橡樹嶺國家實驗室發表純鎳、二元等原子鎳鈷合金、三元等原子鎳鈷鉻合金及五元等原子鎳鈷鐵鉻錳合金，越多元素的合金明顯不會損傷，它會自我療癒 self-healing，當它被照射，高熵合金因為晶格扭曲促進了自我療癒。它裡面不會產生孔洞，表面也不會產生水泡，不會讓強度下降且變脆。
現在美國核融合的核能材料發展資料，只寫一個候選材料，就是高熵合金，很多人在研究開發這個核能材料。電解產氫要用白金（Pt）及銥（Ir）做觸媒太貴了，所以高熵合金或氧化物觸媒的研究很多，另外，不會爆炸的鋰電池也用高熵材料在開發、而高熵結構耐磨件等已應用很多年了。
值得一提的是，葉均蔚院士在唸研究所一年級的時候，學以致用開發了玻璃蝕刻技術，並與兩位哥哥開設玻璃公司，47年以來，他研究開發很多的玻璃技術跟產品上百種，而且都商業化，正是斜槓科學家的代表人物。
「回首來時路」葉均蔚院士當初開發高熵合金時，沒有文獻、沒有教科書可以參考，還遭遇銅牆鐵壁般的阻力，他憑藉專業知識和堅定毅力，化不可能為可能，且做成實際材料應用，開創更大的價值；他取名稱「高熵合金high-entropy alloys」，提出4大效應，更從合金推廣到陶瓷、高分子、複合材料，無所不包，現在外國科學家都在研究。值得一提的是，葉院士雖然是做合金起家，但是並不是固守在合金領域，他心胸夠大、不藏私，才能帶動更多不同專長的人去研究，造福社會，他認為成功不必在我。
高熵是講多元，意涵多元包容、和諧、共生、共榮這種狀態，跟世界大同是一樣的，也可以說是葉均蔚院士的高熵哲學，他目前推廣高熵主義High-entropism，做一個快樂健康的高熵主義者High-entropist，葉院士認為這種高熵狀態，才是人類和諧應該有的狀態。
從宇宙大爆炸開始到現在137.9億年，人類來到這個世界上，我們的劇本就重疊在此時，葉均蔚院士打趣說，今晚大家聚在一起，這個緣分是137.9億年前就寫好了，是何其浪漫！
演講尾聲，葉均蔚院士分享生命的寶典「心平氣和、心存善念及與人為善且接近完美。」葉院士的生活經驗，做人處事的道理跟牛頓3大定律一樣。他親切的叮嚀青年學子，未來能夠開創價值，不是賺大錢，要心存善念，去創新發明、做好事，利益眾生，才叫價值；有了善念，你才會有企圖心去做它；善念越大越好，一個人不可能完成，一定要很多人來共襄盛舉，如果你與人為善且接近完美，就會常遇到貴人，時間到，他們就來了。
