浙大博士生首次用稀土元素合成鈰鋁固溶體合金材料

近日，浙江大學新結構材料國際研究中心在常溫壓力下，首次實現了Ce3Al固溶體合金材料的合成。該中心博士生曾橋石以第一作者完成的相關研究論文“Substitutional Alloy of Ce and Al”發表在2月24日的美國科學院院刊上。
    
    稀土元素有“工業的維生素”的美譽，因其具有特殊的發光、磁學和電學性質，常被用來開發如鐵磁、磁致伸縮、熒光、儲氫和催化劑等新材料。鈰作為第一個具有4f電子的稀土元素，是物理和材料學的研究熱點之一。鋁和其它相似元素形成了一系列的鋁合金，在日常生活中具有極其重要的作用。但根據休謨－饒塞里準則（Hume－Rothery rules），由于鈰和鋁兩者原子半徑和電子化學性質的極大差異，只能形成大量的化合物，但是卻不能形成取代型固溶體合金。
    
    通過與浙江大學光彪講座教授毛河光院士的合作，浙江大學新結構材料研究中心博士生曾橋石在導師蔣建中教授的指導下，采用先進的高強度、高精度、原位高壓同步輻射X射線衍射技術對Ce3Al金屬合金材料進行了仔細的研究，發現在15GPa壓力下Ce3Al晶體合金發生了有序金屬間化合物到固溶體合金的轉變，當壓力達到25GPa時也觀測到同樣的現象。通過大量X射線衍射和吸收譜的實驗測量以及第一性原理的理論計算，他們發現，壓力誘導Kondo體積塌陷和鈰原子4f 電子非局域性使得鈰鋁兩個原子半徑和電負性差異縮小，實現了新型面心立方Ce3Al固溶體合金材料的形成。同時還發現，在卸壓后（至少1年之內）這種新型固溶體合金材料在結構上保持穩定。
    
    該研究成果表明，通過改變壓力，人們可以合成新結構材料，這對開發新型合金材料具有重要意義。該論文發表后，美國材料研究學會NEWS FROM THE WORLD OF MATERIALS立即進行了重點報道。