无序合金和熔体微结构及其构型变化规律

项目提出了在常温、高温、常压、高压、高应变条件下对无序合金和熔体结构研究的总思路，项目第一承担单位为浙江大学，参研单位有：清华大学、山东大学、厦门大学、中科院上海应用物理研究所、合肥工业大学、浙江师范大学。

在压力下无序合金相变机理研究方面，通过本项目的实施，揭示了压力诱导铈铝无序合金的无序-晶化相变机理。发现在高压下铈和铝原子的最近邻原子间距确实比常压下更加接近，但是铈和铝原子的体积在高压下反而相差更多，由于在高压下铈铝体系中原子的变形，使得两种原子虽然体积差很大，但是铈-铈的最近邻间距和铈-铝的最近邻间距差减小，最终达到形成替代型晶体合金的条件。该成果在国际期刊《自然-通讯》上发表。

从平衡态热力学角度看，无序态的能量高于稳定的晶体态，故人们通常认为无序物质是亚稳态，发生无序态到晶体态（即晶化）的相变是一个不可逆的相变，导致在教科书中常常这样描述：晶化是一个不可逆的相变。然而，本项目研究发现了一种从非晶态到晶态的可逆相变材料。该科研成果科学意义在于，首次从实验和理论上证实了晶化相变（无序态到晶体态的相变）完全可以是一个可逆相变，彻底改变了人们以往对晶化相变的认识。

在拉伸下无序合金变形机理研究方面，通过本项目的实施，利用磁控溅射技术成功地研发出一种达到世界上最大弹性应变极限的镍铌无序合金薄膜材料。这些科研成果已发表在隶属于自然出版集团旗下的《科学报告》。在高温金属熔体结构演变方面，发现中心原子到第一壳层原子的原子间距和原子团簇配位数随温度的升高而减小。在金属熔体中，随温度升高，高配位的多面体倾向于向低配位演变，随着配位数的下降，多面体中心原子到第一壳层的平均原子间距也相应地减小。

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所以，温度升高导致近邻原子间的键长收缩可能是金属熔体中一种普遍现象。这项科研成果是非常令人鼓舞的, 向解决无序物质结构的基本科学问题又近了一步。该成果发表在国际期刊《美国科学院院刊》上。该成果发表后，受到国内外同行们高度重视。今年，液态和非晶态金属国际组织特邀请我们在德国举办的第16届液态和非晶态金属国际大会上做报告，并且在大会总结报告中将该工作称为本次大会的亮点研究成果。

通过本项目的实施，建立了一套研究无序合金体系及溶体结构的同步辐射技术综合平台，该平台拥有：

●（1）原位高温装置，我们利用它开展了高温条件下无序合金的熔体原子结构的研究，揭示了无序合金和熔体原子近邻间距随温度收缩的新现象；

●（2）原位拉伸装置，我们利用它开展了拉伸条件下无序合金原子结构的研究，推进了人们对无序合金变形过程的认识，发现了一种超大弹性的无序合金镍铌材料；

●（3）原位高压装置，我们利用它开展了高压条件下无序合金原子和电子结构行为的研究，重点研究了非晶－非晶和非晶-晶体相变，发现了一种可逆晶化相变。同时，还建立了一套研究无序合金体系及溶体结构的理论计算模拟分析综合平台，该平台包括蒙特卡罗（MC）与逆向蒙特卡罗（RMC）、经典分子动力学（MD）与第一性原理分子动力学（AIMD）、密度泛函（DFT）、热力学计算与组织模拟软件包（Thermo-Calc，MICRESS），并配置了原子互作用多体势的拟合与验证程序，以及第一性原理计算需要的势函数库和重点材料的合金热力学数据与金属键间化合物晶体学结构数据库和化学反应势垒。

该平台还包括课题组编制的单晶、多晶和无序结构的单质，固溶体和化合物的单相和多相材料的几何模型构建程序,以及对计算和模拟结果的进行结构分析与表征的程序，例如原子运动过程、对分布函数（PDF）、结构因子（S(q)）、键角分布函数（BAD）、Honeycutt-Anderson（HA）指数、Voronoi tessellation方法、键取向序（BOO）、原子团簇（ACA）、二十面体团簇协同和钉扎分析、二维受限熔体均方位移、配位数、环状结构分析、动力学特征参数P（a、τ、ν）分析、均方位移（MSD）以及X射线吸收谱（XAFS）分析和X射线光子相关谱（XPCS）分析等先进理论计算模拟和分析程序。

该平台可以从电子尺度的量子力学、原子尺度的经典力学与宏观尺度的热力学等各个层次上，对无序物质的形成过程、内部原子的微观构型及其物理性能与力学行为等相关的科学问题进行综合计算与模拟研究。通过本项目的实施，搭建了能在理论、实验、计算与模拟3方面对无序物质进行综合研究的平台。该平台向全国和全世界科研工作者开放使用，推进我国在无序物质科学学科的发展。 

致谢：感谢国家973计划项目“无序合金和熔体微结构及其构型变化规律的基本科学问题”（项目编号：2012CB825700）的支持。

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