金属熔体中原子间距的负膨胀

　　液态金属结构的研究非常重要，因为它涉及材料科学和凝聚态物理中一些基本科学问题，例如, 怎样理解物质熔化的过程，凝固以及玻璃转变等基本科学问题。浙江大学新结构材料国际研究中心王晓东副教授和蒋建中教授与北京同步辐射装置合作发现了加热诱导的金属液体中近邻原子间距的收缩异常现象。相关的研究成果发表在2013年6月3日的美国科学院院刊(PNAS)上。 

　　该中心长期从事无序合金领域的科学研究，无序合金的固态结构与合金的液态结构有着密切关系。固体材料中通常认为原子间距随着温度的升高而增大。该中心从实验和理论两个方面对8种纯Al、Sn、In、Cu、Ag、Au、Ni和Zn液态金属开展深入研究，利用北京和德国汉堡同步辐射装置（BSRF和DESY）研究了Al、Sn、In和Zn的液态原子结构随温度变化。采用经典的分子动力学对Al、Cu、Ag、Au、Ni和第一性原理的分子动力学对Zn的液态行为进行了理论模拟，实验和理论的结果均表明在液态金属中，原子形成团簇结构, 中心原子到第一壳层原子的平均原子距离随温度的升高而减小。 　　　　

　　 　　图a为Al的双体相关函数g(r)，显示熔点温度位于900到1000 K之间，非常接近实验测量值933.5 K。从1000到2000 K，g(r)的第一峰明显向低r方向移动。图b的Voronoi分形表明随温度的升高，高配位多面体（配位数为11和12）含量减少，而低配位（配位数为9和10）多面体却在增多。图c显示高配位多面体中原子平均距离大于低配位多面体中原子平均距离。图d示意说明温度升高，液体金属中高配位多面体逐渐向低配位多面体转变。 

　　怎样理解这种新现象呢? 上图为纯Al的分子动力学模拟，在液体金属中，近邻原子间距离的收缩可以这样理解：在高配位的多面体中存在一些较长的原子键,原子间相互作用弱。随着温度的升高，原子的振动加剧，这些弱相互作用的原子最有可能从团簇中脱离出来，导致团簇配位数的下降。随着低配位多面体的含量的增多，最近邻原子的距离就逐渐的缩短。“在固态材料中，通常不存在这种新现象，但它却在由不同多面体构成的液态金属中普遍存在, 这项科研成果是非常令人鼓舞的, 为解决无序物质结构的基本科学问题又近了一步。”中心主任蒋建中教授这样描述他们的工作。

 　　发表文章： 

　　Hongbo Lou, Xiaodong Wang,^* Qingping Cao, Dongxian Zhang, Jing Zhang, Tiandou Hu, Ho-kwang Mao,^* and Jian-Zhong Jiang,^* Negative expansions of interatomic distances in metallic melts, PNAS, 110, 10068-10072 (2013).