日前，中国科学院金属研究所研究员赵九州领导的课题组在国家自然科学基金重大项目的资助下，从原子尺度出发，采用分子动力学方法开展工作，探索了合金凝固的微观过程，取得了一些创新性成果。该成果陆续发表在Applied Physics Letters，Material Science and Engineering A，Antermetallic 和 Computational Material Science 等杂志上。

    人类对金属凝固研究的历史可追溯到公元前4000年前后，即使现代凝固理论也有近百年的历史了。金属凝固的研究核心是凝固过程中的组织演变及控制，由于实验方法的限制，至今仍有一些尚未明确的问题。例如，临界晶核的形成过程及其微观结构，过冷熔体中各原子团簇在形核过程中的作用等等。

    赵九州领导的课题组研究了深过冷条件下金属的凝固过程，展现了合金形核的微观细节。研究小组发现在形核初期，体系中存在大量不稳定晶胚，它们通过结构起伏和成分选择，最终形成稳定的临界晶核。这种晶核成分与合金原始成分近似，与早期报道的基于硬球模型的研究结果不同。

    研究表明，稳定的FCC结构原子早在晶胚出现前就已存在，并非由亚稳BCC结构原子转变而来。这些原子呈片层状分布，与少量HCP结构原子相互混合，共同构成临界核。临界核尺寸随过冷度的增加而减小。正二十面体非晶团簇结构在过冷液态体系中大量存在，但它不参与形核过程，在晶核形成前完全消失。

    课题组考察了合金非晶形成能力与形核热力学及动力学之间的关系。发现具有较高非晶形成能力的合金晶体形核驱动力较小，其过冷熔体的热力学稳定性较高，组元原子扩散重排较困难。用分子动力学模拟法构建了过冷合金体系“液—固”转变的“时间—温度—转变”曲线，并用其预测了非晶形成的临界冷却速度。

    课题组模拟研究了非晶合金的三维结构。结果表明，非晶可看作由多数正二十面体团簇及部分缺陷二十面体团簇交互作用而形成的网状结构。相对于正二十面体，缺陷二十面体团簇稳定性较差。各二十面体团簇在非晶体系中所占的比例与其所含五次对称结构(1551键对)的数目有关，含五次对称结构多的团簇所占比例较高。为了降低体系的自由能，在所有原子团簇中，较大原子均优先占据顶点位置，而小原子则倾向于占据团簇中心较大的空隙位置。

    课题组用分子动力学方法预测了液态金属Cu均质形核的临界尺寸大小，结合经典形核理论，计算了不同过冷度下体系固液界面能、形核自由能壁垒等热力学参数。计算结果与实验值吻合较好，弥补了深过冷条件下实验测定热力学参数困难的不足。