【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】高壓是研制具備特殊性能新材料的重要技術(shù)手段，高壓能夠合成許多在常規(guī)條件無法形成的新結(jié)構(gòu)，并在常壓下以亞穩(wěn)相存在。高壓在自然界廣泛存在，比如天體內(nèi)部就處于高壓狀態(tài)，研究壓力有關(guān)的物質(zhì)態(tài)是認識自然界實體物質(zhì)的重要前提。
 

　　鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是功能材料的重要結(jié)構(gòu)載體，也是地球內(nèi)部占比大的地幔物質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)形態(tài)，對高壓科學具有特殊意義。中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心條件實驗室靳常青團隊長期開展類鈣鈦礦新材料的高壓研制，通過高壓技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計并研制發(fā)現(xiàn)了多種含有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基元的功能新材料。
 

　　鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物，其分子通式為ABO3 ；此類氧化物早被發(fā)現(xiàn)，是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物，因此而得名。由于此類化合物結(jié)構(gòu)上有許多特性，在凝聚態(tài)物理方面應用及研究甚廣，所以物理學家與化學家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來簡稱之，因此又名“113結(jié)構(gòu)”。呈立方體晶形。在立方體晶體常具平行晶棱的條紋，系高溫變體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏刈凅w時產(chǎn)生聚片雙晶的結(jié)果。
 

　　有序-無序轉(zhuǎn)變一直是材料科學的前沿和難點，材料中原子有序度可以直接決定晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、磁性、熱導、電導、彈性模量等性能參量，對材料性能有著極為重要的影響。人們通常利用溫度和組分調(diào)控材料的有序度，作為獨立于溫度、組分的熱力學變量，壓力對材料有序-無序轉(zhuǎn)變的作用同樣顯著。
 

　　熱力學變量(thermodynamic variable)是確定熱力學系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)和少數(shù)宏觀可測量的性質(zhì)的物理量，如溫度、體積、壓力和成分等。對于給定的熱力學系統(tǒng)，需要多少個變量方能確定其狀態(tài)，要由實驗來決定。例如實驗證明，對于一定量的某種氣體，只需要溫度、體積和壓力中任兩個變量就確定它的狀態(tài)熱力學變量中不包括系統(tǒng)整體的速度和位置這樣的力學變量二
 

　　近期，靳常青團隊在高壓合成的B位雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)功能材料研究上取得新進展。對于已知的大部分材料，壓力將增加結(jié)構(gòu)配位數(shù)，并且趨向于使材料有序化。B位雙鈣鈦礦(A2B'B''O6)中B位由同比例的兩種離子(B'B'')填充，前人在雙鈣鈦礦材料中僅有壓力增加B位有序度的報道，對于此現(xiàn)象的解釋是B位的無序化會增加晶胞體積，使得無序結(jié)構(gòu)在高壓下無法穩(wěn)定存在。靳常青團隊副研究員鄧正與博士李文敏、趙建發(fā)運用高壓技術(shù)成功研制了B位有序雙鈣鈦礦新材料Y2CoIrO6，發(fā)現(xiàn)合成壓力導致的B位無序化相變。
 

　　隨著計算技術(shù)的發(fā)展，通過解算復雜模型得到化學平衡數(shù)據(jù)及其它熱力學數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)實，大量優(yōu)秀的基于吉布斯能小化的相圖計算軟件及其配套數(shù)據(jù)庫的開發(fā)取得了長足的進展，并且由此衍生了一門新興交叉學科。熱力學計算非常重要，無論是搞工藝開發(fā)還是工程設(shè)計，都需要作熱力學計算。只是大部分比較復雜的計算都用計算機來完成了，手算的機會越來越少了，尤其是做工程設(shè)計，比較大的工程若用手算，工作量太大，時間上也不允許，但是基本的熱力學計算還是應該會的！
 

　　通過嘗試不同合成壓力條件，他們發(fā)現(xiàn)隨著合成壓力上升，雙鈣鈦礦新材料Y2CoIrO6的B位離子表現(xiàn)為低壓有序、中壓部分有序、直至15GPa(1GPa ~1萬大氣壓)完全無序。出現(xiàn)無序的壓力恰好相當于上地幔和下地幔的邊界，這個邊界是地幔形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的分水嶺，下地幔充滿鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的礦物。同時，有序向無序轉(zhuǎn)變引發(fā)了材料的磁性由長程亞鐵磁性演化為短程類自旋玻璃態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，這種反常的壓力誘導無序化現(xiàn)象的主要原因是：B位兩種離子化學鍵強度(即軌道雜化的程度)在高壓條件形成獨特組合形態(tài)，導致無序結(jié)構(gòu)擁有較小的晶胞體積。這一結(jié)論得到了熱力學模型和理論計算的支持。
 

　　資料來源：百科、物理研究所