固固相變作為一種重要的物質(zhì)行為，普遍存在于自然界中，如石墨-金剛石相變、鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變、陶瓷相變、電荷密度波相變等。通常，固固相變可分為兩種類型：一類是位移型（馬氏體）相變，通過原子的短程位移而發(fā)生結(jié)構(gòu)演變進(jìn)而實現(xiàn)相變；另一類是重構(gòu)型相變，伴隨化學(xué)鍵的斷裂和重構(gòu)，在相變臨界點處表現(xiàn)出大的潛熱和熱滯現(xiàn)象。
與位移型固固相變相比，重構(gòu)型相變因化學(xué)鍵斷裂而需要克服較大的自由能勢壘，常表現(xiàn)出緩慢的相變動力學(xué)。亞氧化鈦Ti3O5的 相與 相之間的轉(zhuǎn)變是一種典型的一階重構(gòu)型固固相變，然而卻表現(xiàn)出反常的超快可逆動力學(xué)特性。相變過程可通過施加壓力—熱、壓力—光以及壓力—電流等外部條件實現(xiàn)超快可逆調(diào)控，有望在光學(xué)存儲、能量存儲和傳感器等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的實驗技術(shù)因缺乏足夠的空間和時間分辨率，很難捕捉到超快相變過程中的演化信息，而原子尺度模擬固固相變則需要大體系（超萬原子數(shù)）、長時間尺度（納秒級別）動力學(xué)的精確描述。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料設(shè)計與計算研究部機器學(xué)習(xí)團(tuán)隊與西北工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)以及奧地利維也納大學(xué)研究者合作，發(fā)展了動態(tài)主動機器學(xué)習(xí)及矩張量勢函數(shù)模型，結(jié)合先進(jìn)增強采樣技術(shù)，為亞氧化鈦Ti3O5體系成功開發(fā)了精度與效率兼顧的矩張量機器學(xué)習(xí)勢，既保持了傳統(tǒng)經(jīng)驗力場高的計算效率，又兼具第一性原理高的計算精度。研究人員基于該機器學(xué)習(xí)勢，計算獲得了與實驗相符的溫度-壓力相圖；通過大規(guī)模、長時間尺度的原子模擬，揭示了亞氧化鈦Ti3O5的 相至 相的獨特逐層相變機制，即先在ab平面內(nèi)二維形核并生長，然后由應(yīng)變驅(qū)動發(fā)生沿c軸逐層轉(zhuǎn)變。這種面內(nèi)形核、借助亞穩(wěn)中間相的逐層面外擴展的多步相變動力學(xué)機制顯著降低了 轉(zhuǎn)變的相變能壘，是亞氧化鈦Ti3O5超快、可逆相變的關(guān)鍵。
相關(guān)結(jié)果以“Layer-by-layer phase transformation in Ti3O5 revealed by machine-learning molecular dynamics simulations”為題，于4月9日發(fā)表在Nature Communications期刊上【Nature Communications 15,3079 (2024)】。金屬所劉鳴鳳特別研究助理和王建韜博士研究生與西北工業(yè)大學(xué)胡俊偉博士研究生為共同第一作者；金屬所劉培濤研究員和西工大牛海洋教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院R&D項目和院級人才項目的資助。
圖1. 機器學(xué)習(xí)勢開發(fā)及基于巨分子動力學(xué)的亞氧化鈦相變模擬
圖2. 亞氧化鈦相變勢能面和相變亞穩(wěn)中間相
圖3. 亞氧化鈦 - 相變的大尺度原子模擬揭示的逐層轉(zhuǎn)變機制
圖4. 亞氧化鈦 相變面內(nèi)形核和長大的動力學(xué)機制
