最近的一项研究发现, 仅用一千个原子就足够预测亚稳液态金属的热膨胀性质, 展示了材料微观信息与宏观性质之间的联系.

这篇名为“Predicting macroscopic thermal expansion of metastable liquid metals with only one thousand atoms”的论文发表于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014年第12期, 从原子尺度研究了液态Ni、Cu、Fe和Ni₆₀Fe₂₀Cu₂₀合金的热膨胀系数随体系内原子数增加所表现出的规律, 由西北工业大学理学院王海鹏、杨尚京和魏炳波撰写.

无论是日常生活还是工业生产, 热膨胀性质是人们选取和使用材料的重要依据之一. 关于热膨胀的研究, 人们一直十分关注从微观原子尺度建立与宏观物质性质的关系. 对于大多具有晶体结构的固体材料, 其基本单元是晶格, 因此, 以一个晶格的变化可以反映宏观材料的热膨胀行为. 而对于液态, 在原子尺度上没有晶体那种长程有序结构, 而是长程无序分布的. 因此, 液态金属的热膨胀行为能否从微观原子尺度预测？如果能, 最小需要多少个原子？这两个问题成为该研究的重要关注点.

图1  不同液态金属热膨胀系数随截断半径的变化

Figure 1  Thermal expansion coefficients of different liquid metals versus cutoff radius

　　该研究的亮点在于采用原子个数和分布半径截取的方法研究了液态Ni、Cu、Fe和Ni₆₀Fe₂₀Cu₂₀合金的热膨胀系数随原子数的增加表现出来的变化规律, 如图1所示. 研究结果发现, 当截断半径增加到15 Å时, 不同温度下, 液态Ni、Cu、Fe和Ni₆₀Fe₂₀Cu₂₀合金的热膨胀系数都趋于一个定值. 在这种情况下, 体系包含1000个左右原子. 此研究表明, 亚稳液态金属的热膨胀性质仅用1000个原子就可预测.

该研究得到了国家自然科学基金资助项目(批准号: 51474175, 51271150和51327901)、新世纪优秀人才项目和西北工业大学基础研究基金的资助.

来源论文:

Wang H P, Yang S J, Wei B B. Predicting macroscopic thermal expansion of metastable liquid metals with only one thousand atoms. Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57: 2235-2241

论文链接:  http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract509227.shtml