亞穩態材料的全新認識助力材料研發！

材料牛注：科學家們對于新材料的研發往往是在不斷地試錯當中進行的，缺乏理論的指導，現在伯克利實驗室的研究人員對于亞穩定材料進行了詳細的亞穩態材料的熱力學函數的確定，為材料研發及創新鋪平了道路。

人們常說，鉆石恒久遠，一顆永流傳。但事實上，鉆石是碳的一種亞穩態結構，會慢慢地轉變，最終成為石墨。能夠設計和合成其他壽命長、熱力學亞穩定的材料對于材料設計者來說具有金礦一般的吸引力，但是現在科學家們還缺少對于這類材料的理性認識。

現在美國勞倫斯伯克利國家實驗室（簡稱伯克利實驗室）的研究人員們公布其最新研究成果，明確量化近30000種已知材料的熱力學壓穩度，這為半導體、藥品、鋼材等等領域的下一代產品研發鋪平了道路。

伯克利實驗室的實驗員Wenhao Sun說：“亞穩態材料還有很大的可能性空間，當實驗員做實驗時，這個過程非常具有啟發性，就是不斷地試驗和糾錯，我們所做的這項研究就是了解亞穩相是怎么產生的，這樣就可以知道什么因素會引起亞穩相。”

Wenhao Sun在伯克利實驗室材料科學系跟著Gerbrand Ceder做博士后，以第一作者的身份在期刊Science Advances發表了題為“The Thermodynamic Scale of Inorganic Crystalline Metastability.”的文章，其中Gerbrand Ceder為通訊作者。

這個項目牽涉到Materials Project數據庫的大規模數據采集，這是一個類似于Google數據庫的材料數據庫，通過使用超級計算機基于第一性原理量子機械框架計算分析出材料的性能。而Materials Project這個數據庫是由伯克利實驗室研究員Kristin Persson指導構建的，他是該篇文章的共同作者，已經計算出超過67000中已有的和預測的材料的性能，實現了加速材料發現和創新的目標。

Ceder說到：“材料設計和發展是一個很緩慢的過程，但是被合成出來之前，通過計算化合物的性能就可以加速研發過程，盡管我們還不能完全了解哪種材料可以合成出來，以及怎么合成出來，但計算出基礎的熱力學參數就是了解內部機理的第一步。”

亞穩態材料普遍存在于自然和科學實驗中，且常常具有一些優越性能。舉個例子，巧克力是亞穩態的食品，比穩定化的巧克力具有更低的熔點以及更好的口感。當然還有亞穩態鋼，強度和韌性都很高，而在穩定鋼中這兩種性能往往一高一低相互抑制。

科學家們都喜歡研發具有某種特定性能的新材料應用在各個領域中，又比如說，將超高強度的輕質金屬應用在汽車上。但是，為了制備出具有某種特定性能的新材料，材料科學家必須了解加工合成過程是怎樣影響物質結構的，物質結構又是怎樣影響性能的。Wenhao Sun說上述思考是材料科學的基本思考模式。

Ceder說：“Materials Project已經幫我們將材料的結構和性質搭起了橋梁，我們所做的項目邁出了合成工藝與物質結構的關系定量化的第一步。”

Wenhao Sun拿食物做對比，說道：“如果Materials Project是一本烹飪手冊的話，它就像有很多原料和美味佳肴的數據庫，但是沒有烹飪食譜，設計食譜是很困難的，因為在'烹飪'過程中科學家很難知道為什么亞穩相會出現。在一些領域當中，亞穩態材料能夠發揮其優勢，而在另一些方面，穩定相材料表現優異，這項研究就是建立標準，探索怎么用計算機來預測食譜。”

顯然，科學家們僅掌握了少于1000種亞穩態復合物的熱力學參數，調查已知材料的壓穩度是很難的，因為缺少熱量測定，而熱量測定通過熱力學參數計算的。

更重要的是，亞穩定性材料存在很多形式，在金屬合金、礦物質。陶瓷、鹽類中廣泛存在，對其進行深入調查是是十分困難的。我們所做的就是對近30000種已觀察到的材料進行大規模數據采集，以明確亞穩定態的熱力學函數。

“基于這項研究結果，研究人員進行下一步深入探討，建立了新的“剩余亞穩定性原理”，用來解釋哪些亞穩定材料可以合成出來，哪些不能。從本質上探索合成條件，進一步確定可以合成哪些晶體材料，以及合成工藝的可能性。我們希望這項研究工作可以在合成材料過程中提供一個更細致的方法選擇哪種晶體結構的原材料。” Wenhao Sun解釋道。

原文鏈接：A New Understanding of Metastability Clears Path for Next-Generation Materials.

文獻鏈接：The Thermodynamic Scale of Inorganic Crystalline Metastability.

本文由材料人編輯部顧玥提供素材，陳露編譯，點我加入材料人編輯部。

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