《典型重金屬多相物性的第一性原理分子動力學研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由張平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：典型重金屬多相物性的第一性原理分子動力學研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張平
- 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
採用超級計算機進行大規模微觀粒子模擬，計算金屬材料在極端條件下的物態性質，研究各相轉化過程，一直以來都是很重要的課題，不僅是武器設計工程中的重要環節，而且和諸多基礎科學研究有著密不可分的關係。本項目採用第一性原理分子動力學方法，結合國際上最新發展的電子強關聯理論，系統計算金屬鉬、鈰、鈽的基態電子結構、晶格動力學、熱力學、電輸運及光學性質；研究其高溫高壓下的多相物態方程；建立物理圖像，描述d殼層及f殼層未填滿的電子轉移及雜化效應對多相物態性質的關鍵影響；揭示電子關聯效應和相對論自旋-軌道耦合效應對相變的影響；基於第一性原理分子動力學計算，構造和發展有效原子間相互作用勢，從而使經典分子動力學大規模準確模擬這三種金屬的多相物態方程成為可能。通過上述一系列重要基礎問題的系統研究，本項目將從量子力學層次上加深人們對於重金屬材料多相物態性質的理解，促進具有重大國防意義的武器相關金屬狀態方程的科學認識。
結題摘要
採用超級計算機進行大規模微觀粒子模擬，計算金屬材料在極端條件下的物態性質，研究各相轉化過程，一直以來都是很重要的課題，不僅是武器設計工程中的重要環節，而且和諸多基礎科學研究有著密不可分的關係。本項目採用第一性原理分子動力學方法，結合國際上最新發展的電子強關聯理論，系統計算了典型重金屬及其相關化合物的基態電子結構、晶格動力學、熱力學、電輸運及光學性質，研究其高溫高壓下的多相物態方程，闡述了d殼層及f殼層未填滿的電子轉移及雜化效應對多相物態性質的關鍵影響，揭示出電子關聯效應和相對論自旋-軌道耦合效應對相變的影響。研究計畫要點均在項目進行中得到落實，由此產生的後續工作還在繼續。本項目中，我們採用第一原理分子動力學模方法模擬了鉬的高壓熔化曲線，系統研究了不同疏鬆度下的金屬鉬的雨貢扭狀態方程，計算結果和實驗測量相符；計算獲得了700GPa範圍內δ-鈽的冷壓，發現壓強超過100GPa時，自旋極化和自旋軌道耦合的影響以及強關聯效應都可以忽略；計算研究了氫分子在γ相的鈾及鈾鈮合金表面的分解過程和電子相互作用機制，發現γ相鈾及鈾鈮合金的d電子對於其表面化學活性的影響不能忽略；系統給出了鋯的彈性、晶格動力學、超導轉變溫度隨壓力的變化行為，並首次給出了實驗上確定的三種結構鈦鋯合金的彈性常數及彈性性質；模擬獲得了三種氮化鈾材料的電子結構、聲子色散曲線和熱力學性質，證實鈾的5f電子對熱屬性的主導貢獻；計算研究了ThN的晶格結構、電子態密度、聲子譜、彈性常數、形成焓、熱容和熔點等屬性，獲得了其理論熔化曲線；通過第一性原理過渡態理論計算，預測給出了一系列中子管金屬材料中氫/氘/氚/氦的變溫擴散係數；發現並詮釋了高應變率下一系列FCC金屬中位錯的起源及孔洞的產生、成核、生長及貫通規律與機制，並提出了普適的理論；採用自主發展的原子鑑別技術與團簇分析技術，通過提出中心矩方法，首次模擬獲得了鐵的衝擊相變過程中微觀相疇的生長動力學，並將其套用於衝擊相變建模，提出了一個巨觀相變理論；模擬獲得了一系列MOX核燃料的物理及力學性質。本項目完成論文30餘篇，其中27篇已發表，吸引了國際同行的廣泛關注和引用。本項目執行期間，負責人獲得2012年度國家自然科學二等獎1項（第三完成人），2013年軍隊科技進步二等獎1項（第一完成人），並榮獲第9屆于敏數理科學獎。
