国家自然科学奖初评通过项目-硬度的微观理论及新型亚稳相设计
| 项目名称： | 硬度的微观理论及新型亚稳相设计 |
| 推荐单位： | 教育部 |
| 项目简介： | 本项目属于材料物理领域。如何从微观层面上,科学地定义和理解硬度这一材料的宏观性能，是困扰了科学家一个多世纪的重要难题。美国麻省理工学院Gerbrand Ceder教授曾指出："如何在电子结构计算方法与材料宏观的工程性能之间建立起关联仍然是计算材料科学最重要的挑战之一。像硬度这样的性质还不能用量子力学直接估算，并且现在也没有定量的理论将硬度与第一性原理可计算的任何参量联系起来"。本项目从化学键入手创建了硬度微观模型，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的关联这一理论难题；并以此为基础设计出系列新型亚稳相，使超硬材料探索从"定性"进入到"定量化"的可设计阶段，推动了材料宏观性能定量化预测的研究。 在973计划、国家杰出青年基金和自然科学重点基金等资助下，取得成果的主要发现点为： 1、提出了硬度等于单位面积上每个化学键对压头阻抗之和的观点，创建了极性共价晶体硬度微观模型。发现硬度取决于键长、键密度和键的Phillips离子性三个微观参量，使基于晶体的原子排布方式定量计算硬度成为现实。 2、基于第一性原理可计算的重叠布居数，定义了新的离子性标度，并建立了该标度与Phillips标度的定量关系，使从第一性原理可计算参量预测极性共价晶体硬度得以实现。应用该标度发现，在富硼晶体中某些B-B键也有离子性，突破了只有不同类原子间化学键才有离子性的传统概念。 3、应用硬度微观模型自行设计了10余种新型亚稳相。其中BC3实现了既导电又超硬的复合功能，该晶体后被美国和日本科学家实验合成。 硬度微观模型建立之后，美国物理学会Physical Review Focus发表了"一层一层地揭开硬度的面纱"的专题评述，美国物理学会、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，那都是跨越了一步"。"法国Montpellier科技大学Julien Haines说：这是一个强大的有用技术"。两位美国科学院院士Marvin L. Cohen和Steven G. Louie领导的加州大学小组，以及美国橡树岭国家实验室、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、缺陷和薄膜等领域。 本项目发表了系列论文，其中3篇Phys. Rev. Lett.、9篇Appl. Phys. Lett.和13篇Phys. Rev. B。8篇代表性论文被他引342次，单篇最高SCI他引141次。申请发明专利8项，获授权3项。2004年和2007年两次获得全国优秀博士学位论文。国内外会议邀请报告10余次。2008年获教育部自然科学一等奖。 |
| 主要完成人： | 田永君 本项目负责人。提出了主要学术思想、制定了总体研究方案，与南京大学王慧田教授合作，和博士生一起实施了研究方案。对《重要科学发现》中的第1-3点做出了突出贡献，4篇代表性论文的通讯作者及第3、第6和第7代表性论文的直接作者。本人在本项研究中的工作量占本人工作量的80%。 王慧田 本项目合作单位负责人。与项目负责人田永君教授共同制定了本项目《重要科学发现》2和3的研究内容和研究方案，并与研究生一起实施了研究方案。对《重要科学发现》中的第2和第3点做出了突出贡献。3篇代表性论文的通讯作者及第2、第4和第5代表性论文的直接作者。本人在本项研究中的工作量占本人工作量的70%。 高发明 本项目的主要完成人之一。在极性共价晶体硬度微观理论模型、复杂氧化物硬度的估算方法方面开展工作。对《重要科学发现》中的第1点做出了突出贡献，第8篇代表性论文的通讯作者和第1篇代表性论文的第一作者。本人在本项研究中的工作量占本人工作量的60%。 何巨龙 项目的主要完成人之一。在离子性新标度、硬度微观理论模型和新型亚稳相材料的第一性原理设计等方面开展工作。对《重要科学发现》中的第1-3点做出了重要贡献，第2和第4代表性论文的第一作者及第3、第5、第6和第7代表性论文的直接作者。本人在本项研究中的工作量占本人工作量的60%。 孙建 项目的主要完成人之一。主要开展了新型亚稳相化合物的理论预测和光学性质计算的研究工作。对《重要科学发现》中第3点做出了重要贡献，第6和第7代表性论文的第一作者及第3代表性论文的直接作者。本人在本项研究中的工作量占本人工作量的50%。 |
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