浙江大學(xué)材料系、新結(jié)構(gòu)材料國(guó)際研究中心樓鴻波博士生在導(dǎo)師王曉東副教授和蔣建中教授指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)了加熱誘導(dǎo)的金屬液體中的近鄰原子間距的收縮異常現(xiàn)象。該研究論文剛發(fā)表在6月3日的美國(guó)科學(xué)院院刊在線上, 浙江大學(xué)是第一作者，第一單位同時(shí)又是通訊作者。
該中心長(zhǎng)期從事無(wú)序合金領(lǐng)域的科學(xué)研究,固態(tài)無(wú)序合金的結(jié)構(gòu)與合金液體的結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究非常重要，因?yàn)樗婕安牧峡茖W(xué)和凝聚態(tài)物理中一些基本科學(xué)問(wèn)題，例如, 怎樣理解物質(zhì)熔化的過(guò)程，凝固以及玻璃轉(zhuǎn)變等基本科學(xué)問(wèn)題。固態(tài)材料中通常認(rèn)為原子間距隨著溫度的升高而增大。近年來(lái)，該中心從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面對(duì)8種純Al、Sn、In、Cu、Ag、Au、Ni和Zn液體金屬開(kāi)展深入研究，使用原位同步輻射技術(shù)研究了Al、Sn、In和Zn的液態(tài)原子結(jié)構(gòu)隨溫度變化。采用經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)對(duì)Al、Cu、Ag、Au、Ni和第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)對(duì)Zn的熔化行為進(jìn)行了理論模擬，實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)果均表明在液體金屬中，原子形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu), 中心原子到第一殼層原子的平均原子距離隨溫度的升高而減小，在固態(tài)材料中，通常不存在這種新現(xiàn)象，但它卻在液體金屬中普遍存在,這項(xiàng)科研成果是非常令人鼓舞的, 為解決無(wú)序物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本科學(xué)問(wèn)題又近了一步。
怎樣理解這種新現(xiàn)象哪? 上圖為純Al的分子動(dòng)力學(xué)模擬，圖a為Al的雙體相關(guān)函數(shù)g(r)隨溫度從400到2000 K的變化情況，顯示熔點(diǎn)溫度位于900到1000 K之間，非常接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值933.5 K。在1000到2000 K，g(r)的第一峰明顯向低r方向移動(dòng)。圖b的Voronoi分形分析表明隨溫度的升高，高配位多面體（配位數(shù)為11和12）含量減少，而低配位（配位數(shù)為9和10）的多面體卻在增多。圖c顯示高配位多面體中原子平均距離大于低配位多面體多面體中原子平均距離。因此，在液體金屬中，近鄰原子間距離的收縮可以這樣理解：在高配位的多面體中，由于一些鍵長(zhǎng)長(zhǎng),原子間相互作用弱。隨著溫度的升高，原子的振動(dòng)加劇，這些原子最有可能從團(tuán)簇中脫離出來(lái)，導(dǎo)致團(tuán)簇配位數(shù)下降。本研究發(fā)現(xiàn)溫度升高，配位數(shù)下降是液體金屬中一個(gè)本質(zhì)特征。圖d示意說(shuō)明溫度升高，液體金屬中高配位多面體逐漸向低配位多面體轉(zhuǎn)變，隨著低配位多面體的含量的增多，最近鄰原子的距離就逐漸的縮短。
相關(guān)論文：http:// www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1307967110.
