亚稳态材料的全新认识助力材料研发！

材料牛注：科学家们对于新材料的研发往往是在不断地试错当中进行的，缺乏理论的指导，现在伯克利实验室的研究人员对于亚稳定材料进行了详细的亚稳态材料的热力学函数的确定，为材料研发及创新铺平了道路。

人们常说，钻石恒久远，一颗永流传。但事实上，钻石是碳的一种亚稳态结构，会慢慢地转变，最终成为石墨。能够设计和合成其他寿命长、热力学亚稳定的材料对于材料设计者来说具有金矿一般的吸引力，但是现在科学家们还缺少对于这类材料的理性认识。

现在美国劳伦斯伯克利国家实验室（简称伯克利实验室）的研究人员们公布其最新研究成果，明确量化近30000种已知材料的热力学压稳度，这为半导体、药品、钢材等等领域的下一代产品研发铺平了道路。

伯克利实验室的实验员Wenhao Sun说：“亚稳态材料还有很大的可能性空间，当实验员做实验时，这个过程非常具有启发性，就是不断地试验和纠错，我们所做的这项研究就是了解亚稳相是怎么产生的，这样就可以知道什么因素会引起亚稳相。”

Wenhao Sun在伯克利实验室材料科学系跟着Gerbrand Ceder做博士后，以第一作者的身份在期刊Science Advances发表了题为“The Thermodynamic Scale of Inorganic Crystalline Metastability.”的文章，其中Gerbrand Ceder为通讯作者。

这个项目牵涉到Materials Project数据库的大规模数据采集，这是一个类似于Google数据库的材料数据库，通过使用超级计算机基于第一性原理量子机械框架计算分析出材料的性能。而Materials Project这个数据库是由伯克利实验室研究员Kristin Persson指导构建的，他是该篇文章的共同作者，已经计算出超过67000中已有的和预测的材料的性能，实现了加速材料发现和创新的目标。

Ceder说到：“材料设计和发展是一个很缓慢的过程，但是被合成出来之前，通过计算化合物的性能就可以加速研发过程，尽管我们还不能完全了解哪种材料可以合成出来，以及怎么合成出来，但计算出基础的热力学参数就是了解内部机理的第一步。”

亚稳态材料普遍存在于自然和科学实验中，且常常具有一些优越性能。举个例子，巧克力是亚稳态的食品，比稳定化的巧克力具有更低的熔点以及更好的口感。当然还有亚稳态钢，强度和韧性都很高，而在稳定钢中这两种性能往往一高一低相互抑制。

科学家们都喜欢研发具有某种特定性能的新材料应用在各个领域中，又比如说，将超高强度的轻质金属应用在汽车上。但是，为了制备出具有某种特定性能的新材料，材料科学家必须了解加工合成过程是怎样影响物质结构的，物质结构又是怎样影响性能的。Wenhao Sun说上述思考是材料科学的基本思考模式。

Ceder说：“Materials Project已经帮我们将材料的结构和性质搭起了桥梁，我们所做的项目迈出了合成工艺与物质结构的关系定量化的第一步。”

Wenhao Sun拿食物做对比，说道：“如果Materials Project是一本烹饪手册的话，它就像有很多原料和美味佳肴的数据库，但是没有烹饪食谱，设计食谱是很困难的，因为在'烹饪'过程中科学家很难知道为什么亚稳相会出现。在一些领域当中，亚稳态材料能够发挥其优势，而在另一些方面，稳定相材料表现优异，这项研究就是建立标准，探索怎么用计算机来预测食谱。”

显然，科学家们仅掌握了少于1000种亚稳态复合物的热力学参数，调查已知材料的压稳度是很难的，因为缺少热量测定，而热量测定通过热力学参数计算的。

更重要的是，亚稳定性材料存在很多形式，在金属合金、矿物质。陶瓷、盐类中广泛存在，对其进行深入调查是是十分困难的。我们所做的就是对近30000种已观察到的材料进行大规模数据采集，以明确亚稳定态的热力学函数。

“基于这项研究结果，研究人员进行下一步深入探讨，建立了新的“剩余亚稳定性原理”，用来解释哪些亚稳定材料可以合成出来，哪些不能。从本质上探索合成条件，进一步确定可以合成哪些晶体材料，以及合成工艺的可能性。我们希望这项研究工作可以在合成材料过程中提供一个更细致的方法选择哪种晶体结构的原材料。” Wenhao Sun解释道。

原文链接：A New Understanding of Metastability Clears Path for Next-Generation Materials.

文献链接：The Thermodynamic Scale of Inorganic Crystalline Metastability.

本文由材料人编辑部顾玥提供素材，陈露编译，点我加入材料人编辑部。

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