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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——

  如何在材料宏观力学性能与微观的电子结构之间建立起关联是计算材料科学最重要的挑战之一。硬度是材料一个重要的宏观力学性能。如何从微观层面上科学地定义和理解硬度,是困扰科学家一个多世纪的难题。硬度不能用量子力学直接估算,过去也没有定量的理论能将硬度与第一性原理可计算的任何参量联系起来。

  在创新研究群体等基金项目资助下,燕山大学田永君教授和南京大学王慧田教授等从化学键入手创建了硬度的微观理论模型,建立了布居离子性新标度,实现了极性共价晶体硬度的定量预测,解决了硬度与晶体微观电子结构间定量关联这一理论难题。以此理论模型为基础,设计出系列的新型亚稳材料,部分材料已被实验合成,使超硬材料探索从“定性”进入到了“定量化”的可设计阶段,推动了计算材料科学的发展。

  美国物理学会Physical Review Focus对此发表了“一层一层地揭开硬度的面纱”的专题评述,美国材料研究会等10余个国际学会和网站进行了报道:“基于材料的原子结构预测材料的硬度常常像试图用粉笔刻划金刚石一样难”。“现在中国科学家们提出了一个理论公式,实现了材料领域多年企盼的愿望--将电子特性与宏观性能硬度联系在了一起”,“并且有助于寻找新的化合物”。“美国麻省理工学院的Gerbrand Ceder说:作者用相当优美的方式将几种见解统一起来。每建立一个宏观性能与可计算参量间的关联,那都是一步跨越”。“法国Montpellier科技大学Julien Haines说:这是一个强大的有用技术”。美国科学院Marvin L. Cohen院士和Steven G. Louie院士领导的加州大学小组,以及法国科学研究中心、德国海德堡大学、日本大阪大学等23个国家和地区的100多个研究机构用本模型开展跟踪和拓展研究。硬度微观模型已成为材料设计的一个实用工具,并被拓展到纳米、缺陷和薄膜等研究领域。

  相关研究分别在2004年和2007年两次获全国优秀博士学位论文,获2008年度教育部自然科学奖一等奖、2011年度国家自然科学奖二等奖。这项研究成果使对超硬材料的探索从定性进入到可定量化设计阶段。

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