1月10日，倫敦瑪麗女王大學(xué)的一項(xiàng)突破性研究揭示了堇青石熱穩(wěn)定性背后的秘密，該成果發(fā)表在“Matter”期刊，而研究團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃研究其他硅酸鹽礦物，并將他們的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到合成材料，這也將對(duì)需要熱穩(wěn)定性的行業(yè)帶來重大變革。

論文地址：DOI：10.1016/j.matt.2024.101943

堇青石以優(yōu)異的熱穩(wěn)定性（溫度變化時(shí)尺寸變化極小）而在眾多應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)C位。從承燒窯具到催化載體，從光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)再到太空光通信用反射鏡，不同性能、等級(jí)的堇青石產(chǎn)品被開發(fā)成為難以替代的高附加值產(chǎn)品。但是，堇青石的熱穩(wěn)定性特性被業(yè)界解釋為其特有的晶體結(jié)構(gòu)、鍵合特性以及由此產(chǎn)生的獨(dú)特物理現(xiàn)象共同作用的結(jié)果，長(zhǎng)期以來沒有足夠清晰和完備、定量的認(rèn)識(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的晶格動(dòng)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，利用可轉(zhuǎn)移力場(chǎng)來模擬不同熱條件下堇青石的原子結(jié)構(gòu)。模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供了對(duì)礦物在低溫和高溫下行為的深入了解。論文第一通訊作者，倫敦瑪麗女王大學(xué)凝聚態(tài)物質(zhì)與材料系首席研究員DOVE教授表示，“我們的研究表明，堇青石的異常熱膨脹源于原子振動(dòng)和彈性之間令人驚訝的相互作用，其作用就像三維鉸鏈，有效地抵消了許多熱效應(yīng)——這種抵消機(jī)制解釋了為什么堇青石在兩個(gè)方向上表現(xiàn)出小幅正膨脹，而在第三個(gè)方向上表現(xiàn)出小幅負(fù)膨脹。”總結(jié)來說，這是一種力量的微妙平衡。

本次研究開發(fā)的方法將原子振動(dòng)模擬與彈性模型相結(jié)合，可以直接應(yīng)用于其他各向異性材料，為篩選特定應(yīng)用的潛在候選材料提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法。DOVE表示，這種材料研究方法可以快速預(yù)測(cè)這些特性，顯著減少對(duì)昂貴且耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)程序的依賴。

編譯整理 YUXI