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文章题目：Compositiongenesinmaterials

第一作者：张爽

通讯作者：董闯

通讯单位：大连交通大学/大连理工大学

DOI：10./jmi..04

图片摘要

背景介绍

我们熟知的各类材料均含有特定成分，但是在多数情况下人们无法定义出类似于分子的化学载体，材料的成分来源一直没有得到澄清。本文通过引入作者提出的“团簇加连接原子模型”，提出了“成分基因”的新概念，指出优质材料满足特定的团簇成分式，丰富了“材料基因组计划”的内涵，为加速材料研发提供了简单的成分设计方法。

文章简介

材料的化学成分结构单元，即为“成分基因”，应该具有类似于分子的特征：具有特定的局域原子构型，满足整个结构的化学成分和密度，保持单元内部电荷平衡（即具有稳定的电子结构）。但是由于常用材料中化学键在空间连续分布，不存在弱的分子键以切割出分子单元，这是长期以来一直无法认识成分载体的本质原因。晶体学中的晶胞尽管带有成分信息，但由于缺乏结构稳定性贡献且无法处理近程有序问题，因此不能被接受为普遍意义上的化学成分结构单元。

董闯团队前期提出了一种全新的近程序结构模型，即所谓的“团簇加连接原子模型”。该模型将任何结构简化为近程序结构单元，由中心原子、第一近邻（前两者共同构成配位多面体团簇）、加上位于次近邻的若干连接原子所组成。本文作者将凝聚态物理中的基础理论——Friedel振荡理论，与团簇加连接原子模型相结合，揭示出了隐藏在材料化学近程序中的成分基因。当杂质电荷被引入均匀势场中时，杂质电荷周围的电子云会被极化，从而屏蔽杂质电荷对整个体系的干扰，杂质周围的电子密度呈现出Friedel振荡分布，为了使整个系统的能量最低，具有正电荷的离子（原子）总是倾向于占据负势能区域。通过对有效势能函数jeff(r)μ-sin(2kF?r)/r3的积分，得到电荷平衡和平均原子密度的系列径向距离。其中大于团簇范围的第一个电中性的径向距离大约为1.76lFr，接近于Friedel有效势能函数的第一个正势能区域中心，该距离所截入的局域结构即为成分基因结构单元。结合材料的密度和原子半径，可以计算出成分基因的表达式，表述成团簇式形式，即[团簇](连接原子)，连接原子的存在是为了保持结构单元的电中性和平均原子密度。因此，这种结构图像包含了结构稳定性信息，与传统晶体学中的晶胞概念有着根本的不同。这些成分基因存在于液体、非晶、固溶体和晶体中。一旦知道了成分基因，材料的成分设计就会变得简单。本文作者给出了多种材料的成分基因计算方法，涵盖金属合金、无机化合物和聚合物。金属合金包含基于固溶体的工业合金和金属玻璃。对于工业合金，作者解析了具有代表性的奥氏体不锈钢（不锈钢和不锈钢），指出其成分宽泛性的根本原因在于对应于两种成分基因；解析了镍基单晶高温合金，指出其成分区间往往对应于单一成分基因，这是这类材料难以制备的本质原因；揭示了马氏体时效不锈钢、Al-Cr-Fe-Co-Ni高熵合金、黄铜、以TC4为代表的钛合金的成分基因。对于金属玻璃，作者详细介绍了Cu-Zr和Ni-(Nb,Ta)体系中的玻璃成分基因的计算方法，进而扩展至玻璃-晶相双相合金、共晶合金、多元共晶型块体金属玻璃的成分基因计算。无机化合物分为化学计量比化合物和非化学计量比化合物。对于化学计量比化合物，以氧化硅SiO2为代表，不同于化学式SiO2，其成分基因被确定为[Si-O4]Si，如图片摘要所示；对于非化学计量比化合物，以TiNx为例，其最稳定结构的成分式被确定为[N-Ti6]N3.8。硅酸盐玻璃也被处理成非化学计量比的材料，由四价基因[Si-O4]Si和三价基因[M-O3]M（M代表玻璃中的平均阳离子）混合形成。例如，用于窗户的钠钙玻璃最常见的成分是72SiO2-15Na2O-9CaO，其平均阳离子价为3.04，因此，其成分基因主要由三价单元[M-O3]M所组成，其中M为Na0.26Ca0.09Si0.65。聚合物材料的化学性质与构成聚合物的大分子的化学性质相同。世界第一大生产量的合成塑料聚合物为聚乙烯(C2H4)n，其成分基因被确定为[C-H2C2]H4=C3H6；而世界第二大和第三大生产量的合成塑料聚合物分别为聚丙烯(C3H6)n和聚氯乙烯(C2H3Cl)n，其成分基因分别被确定为[C-H1C3]H7=C4H8和[C-H1Cl1C2]H4=C3H5Cl1。通过总结材料的成分特征，作者将材料分为单基因、双基因和多基因类型。所谓单基因材料是指仅由一种成分基因组成的材料，如单晶镍基高温合金、大多数的二元块体金属玻璃、单相无机化合物、单体聚合物等；双基因材料是由两种材料基因组成的材料，包括共晶合金、大多数工业合金、双相合金等；多基因材料由三种或更多种成分基因所组成，例如锆基多元大块金属玻璃和多体聚合物等。

结论与展望

本工作指出，材料的成分基因就是基于团簇加连接原子模型的类分子化学结构单元，反映了材料的化学性质、特征近程序、电子结构稳定性和平均原子密度。作者分析了包括金属合金、无机化合物和聚合物在内的各种材料的成分特征，并将其破译为不同的成分基因，以团簇式的形式来呈现，具体表现为最近邻的团簇加上若干位于次近邻的连接原子。本文所提出的成分基因概念可有效指导材料设计，因为材料基因直接提供了成分式，由此可大大提高新材料研发的效率。而这种基于团簇加连接原子模型的材料成分设计方法已经在多种合金中得到了实施，包括：钛合金、马氏体时效不锈钢、高熵合金、铜合金、金属玻璃、共晶合金等。

基金支持

本文研究由大连市科技创新基金项目重点学科（研究方向）重大课题（项目编号：JJ25CY）和辽宁省教育厅自然科学研究青年项目（项目编号：JDL）支持。

通讯作者简介

董闯，博士，大连交通大学/大连理工大学教授，国家杰出青年自然科学基金获得者，长江学者特聘教授。曾任三束材料改性国家重点联合实验室主任、国务院学科评议组成员、国家自然科学基金委工程与材料科学部专家评审组成员。任五家全国性学会理事，任《金属学报》等期刊编委。著有《准晶材料》专著及余篇核心SCI检索论文，他引余次，h-index40，授权国家发明专利40余项，国际专利1项。担任国际会议组委会或学委会成员二十余次。承担过国家重大专项、“”、“”课题和自然科学基金重点项目。从事材料设计、合金研发以及表面改性研究，发展出基于近程序结构的材料成分设计方法，解释了多种材料的成分规律，在其指导下高效研发了新合金，所设计的新材料为我国先进发动机所采用，并在薄膜材料领域有所贡献。目前领导着一支材料设计团队，以成分设计为主线，以材料制备与加工为支撑平台，研发高温合金、不锈钢、铜合金、钛合金、高熵合金、陶瓷、玻璃、增材制造合金等前沿材料。欢迎大家打开下方链接或扫描

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