東京工業大學物質理工學院的渡邊學助教、田中友規研究員、合田義弘副教授，高輝度光科學研究中心同步輻射利用研究基礎中心的高木康多主幹研究員，日本東北大學國際同步輻射創新與智慧研究中心的中村哲也教授、高田昌樹教授，東北大學多元物質科學研究所的福山博之教授等人組成的聯合研究團隊發表研究成果稱，成功地從電子態層面解釋了鈀鐵合金混合時產生過量體積效應的終極因數，而在此之前，產生該現象的終極因數一直未能做出合理解釋。該研究有望應用於金屬製品開發領域，提高鑄造等工序中使用的熔融金屬的數位類比精度。相關研究成果已於2月1日發表在國際學術期刊《Acta Materialia》上。
圖（a）石子和沙混合時：沙會進入石子的間隙（孔洞）之中，因此混合後體積較混合前反而減小。（b）鈀原子和鐵原子混合時：體積因混合而增大（過剩體積效應）。合金中鈀原子之間的吸引力（金屬鍵）減弱，鈀原子傾向於遠離鐵原子，從而導致體積增大。（供圖：東京工業大學）
當兩種不同原子尺寸的金屬混合形成合金時，體積通常會較混合前減小，但在鈀鐵形成合金時，體積反而會較混合前增大（過剩體積效應）。
就此問題，本次研究團隊採用了一種着眼於使原子彼此吸引的「電子」行為的新方法。透過對鈀鐵合金的電子態進行理論計算，並進行高輝度同步輻射X射線的硬X射線光電子能譜測量，結果發現，鈀原子之間的吸引力（金屬鍵）出現了減弱。當金屬鍵減弱時，鈀鐵合金的體積就會增加，從而產生過剩體積效應。
研究人員使用理論計算（第一性原理計算），推算了可發生有序-無序轉變，且表現出此前的研究無法解釋的顯著過量體積效應的鈀鐵合金電子態。針對這一理論計算預測的鈀的電子態變化，在大型同步輻射設施SPring—8BL46XU上進行的硬X射線光電子能譜測量也推算出了相同的趨勢，理論計算與實驗結果相一致。
渡邊助教表示：「本項研究是熔融金屬的基礎研究，此類研究已經進行了80多年。因此一般認爲，該領域的絕大多數研究已經完成。但是此次，我們得到了以Spring-8爲代表的同步輻射設施研究人員的幫助，獲得了電子論與熱物性相關的新成果。未來，我們還計劃利用從2024年開始在日本東北大學青葉山新校區投入使用的3GeV高輝度同步輻射設施（NanoTerasu）開展研究，進一步深入研究熔融金屬以及電子論的關聯性。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Acta Materialia
論文：Clarification of origin of positive excess volume of Pd–Fe binary alloys by using first-principles calculations and HAXPES
DOI：10.1016/j.actamat.2024.119718
