近年来，材料科学正逐渐从"依靠实验不断试错"走向"理论指导设计"。借助计算模拟和理论研究，科学家不仅能够解释材料为何具有某种性能，还能够在实验之前预测材料的表现，为新材料设计提供方向。近期，中国科学院福建物质结构研究所邓水全研究员团队在Materials Futures发表了研究论文Towards a universal ansatz for heat-induced emission peak shifts: insights from M₂SiO₄:Eu²⁺ (M = Sr, Ba, Ca) phosphors（DOI: 10.1088/2752-5724/ae4047），从原子尺度揭示了荧光粉热致发射峰位移的微观机制，为开发高热稳定性的发光材料提供了新的理论框架。借此机会，我们邀请邓水全研究员分享这项工作的科学意义，并与我们聊聊理论研究如何推动未来材料的发展。

邓水全

中国科学院福建物质结构研究所二级研究员、博士生导师。在马普所工作期间提出并建立了“超导平/陡带理论”，回国后主要从事材料光学性质的理论研究，提出并建立了“非线性光学原子响应理论”，揭示了稀土光功能材料发光热稳定性及发光热致移动现象的微观物理机制等。担任科技部973计划项目子课题负责人，并承担“材料基因组”重点专项、中国科学院战略先导B等项目。

Q1：邓老师您好，感谢您接受我们的访谈。您和团队近期在Materials Futures发表了关于荧光粉热致发射峰位移机制的研究。对于非专业读者来说，这项研究最想解决的是一个什么问题？为什么它值得关注？

你好，感谢Materials Futures的关注。我们这项研究想解决的，是一个在日常生活中无处不在、却在科学界困扰了70多年的变色难题。大家平时用的白光LED灯，它的发光原理并不是芯片直接发出白光，而是利用InGaN或GaN半导体芯片发出蓝光或近紫外光，去激发涂覆在上面的荧光粉。荧光粉吸收后将其转换成其他波长的可见光，两者混合才形成了白光。但当器件长时间工作发热后，荧光粉的发光颜色会发生偏移，比如偏红或偏蓝，简称为“热致发射峰位移（HIEPS）”。对于普通照明来说，这可能只是微小的色差；但对于高端显示器、投影仪乃至未来的激光照明技术而言，这种热致色偏和发光效率的衰减是严重的。我们最想解决的，就是搞清楚“荧光粉受热后为什么会变色”的微观物理本质，从而为制造出高性能发光材料提供理论基石。当然，这个机制反过来也能指导我们主动利用热致变色现象，去设计新型的智能传感或防伪材料。

Q2：长期以来，人们普遍认为荧光粉受热后的颜色变化主要源于材料热膨胀，而您的团队提出了新的微观机制。您认为，这项工作的最大突破是什么？它将如何帮助未来高性能荧光材料的设计？

这项工作最大的突破在于打破了传统“热膨胀主导”的宏观认知以及其他唯象解释，确立了“局域电子-声子耦合”的微观机制。过去70年，学界大多用晶格整体的热膨胀，配位数变化或者经验性的Varshni方程等来解释这类现象。但我们通过第一性原理和冷冻声子法计算发现，热膨胀并不是其主因。真正的原因是发光中心（如铕离子Eu²⁺）局部发热以后导致的振动。这种热增强的各向异性的局域振动，直接改变了5d能级的位置，从而改变了决定发光颜色5d→4f电子跃迁能量。基于这个机制，我们提出了一个普适性的物理描述符——Δ_f−d参数。它不仅解释了同族材料（如M₂SiO₄:Eu²⁺）中有的红移、有的蓝移的奇特现象，更重要的是，它相当于给材料设计提供了一个导航。未来，借助计算机进行高通量计算，获取候选材料Δ_f−d对温度的敏感度，即可预测荧光粉的热稳定性，进而根据实际需求筛选材料。

Q3：您的研究涉及超导、磁性、光功能材料等多个领域。虽然研究对象不同，但您似乎一直都在探索材料微观结构与宏观性能之间的联系。您如何理解这种"从微观到宏观"的研究思路？

材料的宏观性能，本质上都是微观量子世界的一种涌现。我早年在国内完成学业后，在海外工作了近二十年。在德国马普固体研究所期间，我主要做超导和磁性理论方面的研究，提出了"超导平/陡带理论"。2014年回国以后，我又把研究重心拓展到了光功能材料和非线性光学领域。从超导跨越到光学材料，看起来跨度很大，但我的底层研究逻辑其实一直没变，就是寻找连接原子/电子结构与宏观物理性质之间的那座桥梁，具体来说，就是化学键和动力学过程。无论是超导态里的电子配对，还是荧光粉中的电子跃迁与电声耦合，本质上都是微观粒子在相互作用。把这些相互作用的基本规律搞清楚了，我们就有可能跨越尺度，去理解和预测材料在宏观世界里的表现。

Q4：很多人认为，新材料主要依靠实验不断尝试才能发现。但如今，理论计算正越来越多地参与材料设计。您如何看待理论研究在材料科学中的作用？今天的科学家，真的可以在实验之前"预测"一种材料吗？

基于第一性原理计算和近年来的AI预测，我们确实可以在实验前，对尚未合成的材料进行一些关键性质的预测和筛选，比如判断它结构是否稳定。这次我们提出的Δ_f-d描述符就是一个例子，它可以在实验之前，帮助我们预判一种荧光粉受热时发射峰的移动趋势，从而把海量的可能性快速收敛到最有希望的几个候选上。但要说完全预测一种材料，我们还远未做到。这更像是一种有根据的理论引导，极大地提高了实验探索的效率，而不是替代实验。最终，材料能不能被真正合成出来，性能在真实器件中到底如何，都离不开实验的检验。

Q5：如果未来能够更加精准地理解稀土发光及激光晶体材料内部的微观机制，您最期待哪些技术因此发生改变？

我最期待的是，能在深空、深海这类极端环境下，找到性能更好的大功率光学晶体材料，尤其是那种涉及瞬态发光的体系。比如深空激光通信、深海探测用的大功率激光器，或者高能粒子闪烁探测器，它们对晶体材料的要求极其苛刻，不仅要承受巨大的热负荷，还得在极短的时间内发出稳定、准确的光信号。而热量带来的发光猝灭和色偏，恰恰是这里的关键问题。如果我们对稀土发光及激光晶体内部的“局域电子-声子耦合”等微观机制理解得更透彻，就有可能通过能带工程或晶体场调控，主动设计出在大功率下发光热稳定性好的发光中心，从而为这些极端环境光电子系统找到更可靠的光学晶体材料。这或许能为未来深空深海技术，提供正扛得住极端条件的材料。

Q6：长期从事理论研究，很多成果可能需要多年才能得到实验验证，甚至被产业应用。面对这样一个周期较长的研究过程，是什么一直支撑着您坚持探索？有没有一段科研经历让您至今印象深刻？

理论研究的魅力，在于它能洞察现象背后的一般机理。那种窥见自然深层奥秘的喜悦，是支撑我们理论工作者一直走下去的最大动力。让我印象最深的一段经历，是早年在德国马普所与Arndt Simon教授合作研究超导理论的日子。当时我们尝试从化学键和电子结构的角度去重新理解超导性，提出了“超导平/陡带模型”。那个过程很艰难，因为我们要打破传统BCS理论的一些思维定势，也面临着不少质疑。但当我们用这个模型成功解释了一些复杂体系的超导现象，并在新的体系中得到验证时，那种感觉，就像武侠小说里“打通任督二脉”一样，至今记忆犹新。这段经历让我坚信，在物理现象确证的前提下，从多个角度对它进行全面、准确的描述，对于寻找现象背后的一般机理至关重要。这份信念，也是我回国后带领团队攻克一个个光功能材料理论难题的支柱。

Q7：回顾您的科研经历，从超导、磁性到光功能材料，研究对象不断变化，但探索科学问题的初心始终没有改变。您觉得，一个好的理论研究，最重要的是解释已有现象，还是预测未知现象？

解释已有现象和预测未知现象，两者都很重要，但角色不同。一个好的理论研究，首先要能精准地解释现象，涉及一般微观机理的明晰。但解释只是起点，预测才是理论研究的真正目标。这里的难点在于，预测不再仅仅是物理模型的推演，它还涉及材料能否被合成出来、在环境中是否稳定、能否实际加工等一系列多学科问题。一个理论上性能完美的材料，很可能因为合成路径不通或者潮解性太强而永远停留在纸面上。所以，真正的预测需要理论与实验的深度协作，不是理论单方面的工作。

Q8：如果今天有一位年轻学生想进入材料理论研究领域，您认为最重要的能力是什么？是扎实的物理基础、计算能力，还是保持对未知问题的好奇心？

我认为最重要的能力，是首先对自己有一个清醒的认知和评价。科研天分较高的同学，好奇心、面对困难时的韧性，以及对优美理论的直觉，这些素质能支撑他们去挑战真正原创性的难题，走到更高的高度。而对天分不那么突出的同学来说，同样有广阔的空间，扎实的物理基础、过硬的数学功底和计算能力，就是他们可以依仗的本领。把具体的技术问题做深做透，在细分方向上持续积累，同样能做出真正有价值的贡献。两者并不矛盾。归根结底，理论研究是一个需要各种角色协作的系统。有人负责提出大胆的假说，有人负责用严格的计算去检验它，两种能力都值得尊重。

所以，欢迎有志于理论研究的年轻学生和学者加入我们。特别是当下，AI正给材料科学带来全新的研究范式，如何用最新的手段去揭示材料中隐藏的结构与功能关系，是一个充满机遇的领域。我们非常期待有新的力量一起探索。

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