科学家预测记录设定熔点的材料，超过4,400个开塞尔斯

由铪和碳制成的化合物具有一些最高的已知熔点。采用计算机仿真，布朗大学工程师预测用铪，氮和碳制成的材料比任何已知材料具有更高的熔点。图像：Van de Walle Lab / Brown大学

棕色大学的科学家预测，由铪，氮和碳制成的材料具有最高的已知熔点，约有三分之二的温度在阳光下的温度。

罗德岛（棕色大学）普罗维登斯 - 采用强大的计算机模拟，棕色大学的研究人员已经确定了比任何已知物质更高的熔点的材料。

在“物理评论”B（快速通信）中描述的计算表明，仅采用适量的铪，氮和碳制成的材料将具有超过4,400个开尔尔蛋白（7,460华氏度）的熔点。这大约是太阳表面的温度大约是三分之二的温度，200个开尔尔林比实验记录的最高熔点高。

实验记录架是由元素铪，钽和碳（HF-TA-C）制成的物质。但这些新计算表明，铪，氮和碳 - HFN0.38C0.51的最佳组成 - 是设定新标记的有希望的候选者。研究人员现在正在进行的下一步是合成材料并证实实验室中的结果。

“从计算方法开始的优势是我们可以非常便宜地尝试许多不同的组合，并找到可能值得在实验室尝试的组合，”该研究工程副教授Axel Van de Walle表示与博士后研究员Qijun Hong。“否则我们只是在黑暗中拍摄。现在我们知道我们有一些值得一试的东西。“

研究人员使用了通过在量子力学定律之后通过模拟原子水平的物理过程来推送熔点的计算技术。该技术在纳米尺度发生在100左右的原子的情况下，看着熔化的动态。它比传统方法更有效，但由于大量潜在的化合物测试，仍然需要计算。这项工作是使用国家科学基金会的XSEDE计算机网络和棕色的“奥斯卡”高性能计算机集群完成的。

Van de Walle和Hong通过分析了熔点已经进行了实验确定的HF-TA-C材料。模拟能够阐明有助于材料显着耐热性的一些因素。

该工作表明，HF-TA-C组合高温融合（当其从固体转变为液体时释放或吸收的能量），在固体和液相的熵（病症）之间具有较小的差异。“是什么让一些东西融化是在相变过程中获得的熵，”Van de Walle解释说。“所以，如果固体的熵已经非常高，则倾向于稳定固体并增加熔点。”

然后，研究人员使用这些发现来寻找可能最大化这些性质的化合物。他们发现，具有铪，氮和碳的化合物将具有类似的高热融合，但固体和液体之间的熵之间的差异较小。当他们使用其计算方法计算熔点时，它出现了比实验记录高的200个厄尔韦斯。

Van de Walle和Hong现正与加州大学的亚历山德拉纳德斯基实验室合作，合成化合物并进行熔点实验。Navrotksy的实验室配备了这种高温实验。

该工作最终可能最终指出各种用途的新型高性能材料，从电镀到燃气轮机，以在高速飞机上进行隔热屏蔽。但是，HFN0.38C0.51复合本身将是一个有用的材料尚不清楚，Van de Walle说。

“融化点不是唯一一个重要的财产，其中[材料应用]，”他说。“你需要考虑像机械性能和氧化抗性等的东西，以及各种各样的性质。所以考虑到这些东西，你可能想要将其他东西混合，这可能会降低熔点。但由于您已经开始如此高，因此您有更多的余地来调整其他属性。所以我认为这让人们一个可以做到的事情。“

这项工作还展示了这种相对较新的计算技术的力量，Van de Walle说。近年来，利益使用计算探索大量候选化合物的材料特性增加，但是该工作的大部分都集中在比熔点更容易计算的性质上。

“与之前的完成相比，融化点是一个非常困难的预测问题，”Van de Walle说。“对于建模社区，我认为这是对此的特别之处。”

该工作得到了美国海军研究的支持（N00014-12-1-0196和N00014-1-0196和N00014-14-1-0055），通过使用该设施在其中心计算和可视化的设施来支持。本研究中使用的极端科学和工程发现环境（XSEDE）由国家科学基金会赠款号提供支持。

出版物：齐 - 君红和Axel Van de Walle，“从AB Initio分子动力学计算的最高已知熔点的材料预测”物理“。Rev. B 92,020104（R），2015; DOI：10.1103 / physRevb.92.020104