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科学家预测记录设定熔点,超过4,400开尔文的材料

发布时间:2018-05-16 浏览次数:85

em布朗大学的科学家预测,由铪,氮和碳制成的材料将具有最高的已知熔点,约为太阳表面温度的三分之二。 / em

Providence,Rhode岛屿(布朗大学) - 使用强大的计算机模拟,来自布朗大学的研究人员发现了一种比任何已知物质都具有更高熔点的材料。

“物理评论B”杂志(Rapid Communications)所述的计算表明,用恰当量的铪,氮和碳制成的材料熔点将超过4,400开尔文(华氏7460度)。这大约是太阳表面温度的三分之二,比实验记录的最高熔点高200多埃。

实验记录保持器是由元素铪,钽和碳(Hf-Ta-C)制成的物质。但是这些新的计算表明铪,氮和碳的最佳组成 - HfN0.38C0.51 - 是一个有希望创造新标志的候选者。研究人员现在正在进行的下一步工作是合成材料并在实验室中证实研究结果。

“从计算方法开始的优势是我们可以非常便宜地尝试许多不同的组合,并找到可能值得在实验室中尝试的组合,”Axel van de Walle,工程副教授和该研究的共同作者博士后研究员齐君康。 “否则我们只会在黑暗中拍摄。现在我们知道我们有一些值得一试的东西。“

研究人员使用计算技术,通过模拟物理过程来推断熔点,遵循量子力学定律。该技术着眼于在纳米尺度上发生熔化的动力学,大约有100个左右的原子。它比传统方法更有效率,但由于有大量潜在化合物需要测试,因此仍然需要计算量。这项工作是使用美国国家科学基金会的XSEDE计算机网络和布朗的“奥斯卡”高性能计算机集群完成的。

Van de Walle和Hong从分析已经通过实验确定熔点的Hf-Ta-C材料开始。模拟能够阐明一些有助于材料显着耐热性的因素。

该工作表明,Hf-Ta-C将固体和液体的熵(无序)之间的小差异结合起来具有高的熔化热(从固体转变为液体时释放或吸收的能量)。 van de Walle解释说:“使相变融化的原因是在相变过程中获得的熵。 “所以如果固体的熵已经非常高,那就趋向于稳定固体并增加熔点。”

研究人员然后使用这些发现来寻找可能使这些性质最大化的化合物。他们发现含有铪,氮和碳的化合物具有类似的高熔化热,但是固体和液体的熵之间的差异较小。当他们用他们的计算方法计算熔点时,它比实验记录高出200 kelvins。

Van de Walle和Hong现在正与加州大学戴维斯分校的Alexandra Navrotsky实验室合作,合成该化合物并进行熔点实验。 Navrotksy的实验室配备了这种高温实验。

这项工作最终可以指向用于各种用途的新型高性能材料,从用于燃气轮机的电镀到高速飞机的隔热板。 van de Walle说,但是HfN0.38C0.51化合物本身是否是一种有用的材料尚不清楚。

“熔点不是在材料应用中重要的唯一属性,”他说。 “你需要考虑诸如机械性能和抗氧化性以及各种其他性能。因此,考虑到这些因素,您可能需要将其他物质与其他物质混合,以降低熔点。但由于你已经开始如此之高,你有更多的余地来调整其他属性。所以我认为这可以让人们了解可以做些什么。“

van de Walle说,这项工作也展示了这种相对较新的计算技术的力量。近年来,利用计算来探索大量候选化合物的材料性质的兴趣增加了,但是大部分工作集中在比熔点更容易计算的性质上。

“与之前所做的相比,熔点是一个非常困难的预测问题”,van de华尔说。 “对于建模社区,我认为这就是特别的。”

这项工作得到了美国海军研究办公室(N00014-12-1-0196和N00014-14-1-0055)和布朗大学通过使用计算和可视化中心的设施的支持。本研究中使用的极端科学和工程发现环境(XSEDE)得到国家科学基金会资助号ACI-1053575的支持。

出版物:Qi-Jun Hong和Axel van de Walle,“从最初的分子动力学计算预测具有最高已知熔点的物质”,Phys。 Rev. B 92,020104(R),2015; DOI:10.1103 / PhysRevB.92.020104

来源:布朗大学


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