纳米尺度热力学研究进展——键能模型

当材料的尺寸进入纳米尺度时，传统热力学理论面临严峻的挑战，一些热力学量如熵、焓、自由能、熔化温度、有序化温度、德拜温度、比热等随着材料的维度、尺寸、形貌的变化而变化。建立一种普适的纳米尺度热力学理论，一直是纳米材料科学研究的目标。

近日，中南大学材料科学与工程学院齐卫宏教授撰写的“Nanoscopic Thermodynamics”特邀综述论文，在美国化学学会（ACS）的期刊《Accounts of Chemical Research》以封面论文刊出，文章全面综述了齐卫宏教授课题组纳米尺度热力学研究成果——键能模型的建立和应用。

键能模型是一个普适的热力学理论，其核心是纳米材料的结合能。模型基于纳米固体壳核结构假定，通过精确计算表面原子、内部原子对体系结合能贡献的差异而建立。模型能够准确预测纳米材料的熔化温度、熵、焓、德拜温度、比热、自由能、热导率等多种物理量的尺寸效应和形状效应；能够解释纳米合金微粒有序化温度的基体效应及嵌入基体中纳米微粒的过热现象；能计算元素在纳米尺度的结构相图，特别是预测出Ti、Zr和Hf等元素在纳米尺寸存在FCC结构。基于键能模型，课题组还建立起纳米尺度合金固溶度理论，能够准确预测不同元素在纳米尺度的合金形成能力等。键能模型研究过的纳米材料涉及Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Sn, Pb, In, Bi, Al, Ti, Zr, Hf, In−Al, Ag−Ni, Co−Pt, Cu−Ag, Cu−Ni, Au−Ni, Ag−Pt和Au-Pt等体系。目前，键能模型还被国外学者应用于研究石墨烯-金属颗粒纳米催化剂的结构稳定性、纳米尺度的抛光、离子束辐射下纳米粒子的晶粒长大等多种新现象。

课题组基于键能模型共发表SCI论文60篇，被SCI刊物引用了1200余次，引用者分布在哈佛大学、剑桥大学、马普所等490个国际研究机构。

该工作得到国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金以及中南大学创新驱动计划等项目的支持。

1、封面：http://pubs.acs.org/toc/achre4/49/9

2、论文：Weihong Qi, Nanoscopic Thermodynamics, Accounts of Chemical Research, 2016, 49, 1587–1595, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00205

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.6b00205