铀铌(U-Nb)合金是一个在低温下（< 923 K）具有多种亚稳相的复杂体系, 根据Nb浓度的不同有亚稳的α', α" 和 γ^o 相。目前，这些亚稳相的低温老化机制还没有被澄清。以前的一些研究试图从亚稳相老化后最终分解为有序相方面解释，但都只给出了图形框架，没有进一步的稳定有序相的证据。
       为了进一步证实U-Nb合金在低温区可能存在有序相作为老化的最终产物，我们对U-Nb体系进行了0到500 GPa的彻底的结构搜索 [1] 。 我们的研究预测了全新的U₂Nb相，其不仅在高压下表现出极强的稳定性，而且在常压下也是稳定的(图1)。这可能完全改写铀铌合金的相图，导致铀铌合金新的失稳分解路径和老化效应。

图1 铀铌合金的凸包图以及预测的有序相的晶体结构图。

我们研究显示U₂Nb在低压下为P6₃/mmc结构，当压力超过21.6 GPa转变为P6/mmm结构, 在更高的压力大于368 GPa则为Fmmm相(图2)。不同的是P6₃/mmc-P6/mmm相变在相变压力处为连续的转变(图2中蓝色箭头所示），而P6/mmm-Fmmm相变为典型的一阶相变。

图2 U₂Nb三个相的焓差图。

这个压力驱动的P6₃/mmc-P6/mmm结构相变进一步被我们证实是前所未见的1又1/2阶相变，其伴随着相变压力处弹性常数和声速的反常(图3)，这将丰富对凝聚态物质相变的认知和理解。

图3 (a)弹性常数C₃₃和(b)声速随压力的变化。

另外我们还发现了高压下铀铌合金具有不可忽略的离子键和共价键(图4)，而非通常认知中以金属键为主导的合金金属，这对极端条件下铀铌合金体系的物理、力学和化学特性可能产生深远的影响。

图4 (a) P6₃/mmc-U₂Nb在零压下的电子能带结构和投影的电子态密度。(b) U和Nb原子在每个U₂Nb相中的平均Bader电荷。(c) P6₃/mmc-U₂Nb在0 GPa时的微分电荷密度(等值面= 0.02 e/bohr³)和(d) P6/mmm-U₂Nb在200 GPa时的差分电荷密度。蓝色表示Nb原子失去电子，黄色表示近邻U原子之间的电子积累。

参考资料：
[1] X. L. Pan, H. Wang, L. L. Zhang, Y. F. Wang, X. R. Chen, H. Y. Geng, Y. Chen, Prediction of novel final phases in aged uranium-niobium alloys, Journal of Nuclear Materials, 579 (2023) 154394.  https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2023.154394