近日，俄羅斯科學院高溫聯(lián)合研究所與莫斯科物理技術學院(MIPT)的科研團隊在《Physical Review B》雜志上發(fā)表了一項重要研究成果。該研究首次高精度地測定了液體和介質(zhì)中鋯在極高溫度下的熱物理性質(zhì)，特別是在超臨界狀態(tài)下的特性。

這項研究得到了俄羅斯科學基金會的支持，結合了量子分子動力學的先進量子力學計算和獨特的高壓室超快脈沖加熱實驗。科研人員利用第一性原理計算確定了鋯的臨界點參數(shù)，包括臨界溫度9400K、臨界密度1380kg/m³和臨界壓力3350個大氣壓。這些結果為理解鋯在高溫下的特性提供了重要數(shù)據(jù)，填補了之前估計范圍(8000到17000K)內(nèi)的空白。

研究負責人、俄羅斯高溫聯(lián)合研究所材料特性建模實驗室高級研究員德米特里·米納科夫表示，基于密度泛函理論和超級計算機的現(xiàn)代建模方法使得再現(xiàn)實驗室中極難實現(xiàn)的物理條件成為可能，這對于研究極端條件下使用的材料，特別是含有鋯的核反應堆材料具有重要意義。

實驗中，科研人員在3000個大氣壓以上的壓力下，通過電流超快脈沖加熱鋯絲樣品至6000K的溫度，測量了相圖先前未探索區(qū)域中液相的焓和鋯的電阻。實驗證實，鋯的電阻率在臨界點附近會增加五倍。

俄羅斯科學院高溫聯(lián)合研究所極端能量效應實驗室主任米哈伊爾·謝因德林強調(diào)，實驗與理論方法的協(xié)同作用在此次研究中得到了首次證明。實驗方法結合量子力學計算的結果，不僅提高了結果的可靠性，而且使研究超出現(xiàn)代實驗能力的現(xiàn)象成為可能。

該研究還揭示了鋯在高溫下行為的許多重要特征，如等容熱容在臨界點附近急劇增加，而格呂奈森參數(shù)降低到理想氣體值以下;鋯的正常光譜發(fā)射率在4000K以內(nèi)幾乎保持恒定，但隨著接近臨界溫度會增加50%;此外，還提供了有關液態(tài)鋯中聲速的第一個數(shù)據(jù)。

MIPT高溫過程物理系主任帕維爾·列瓦肖夫指出，計算方法為理解材料特性開辟了新視野，使得構建液態(tài)和超臨界狀態(tài)下鋯的狀態(tài)方程成為可能，并重建了臨界等壓線，估計了液-氣平衡曲線直至臨界點的位置。這些數(shù)據(jù)對于開發(fā)有前景的高溫技術具有重要意義。

此次研究成果對于理解材料與激光輻射相互作用時的高溫行為以及模擬核能中假設的緊急情況具有實際價值。了解鋯的相變和關鍵特性對于開發(fā)能夠在極端條件下運行的新型結構材料至關重要。

德米特里·米納科夫總結道，這項工作展示了實驗與理論之間相互作用的強大力量，開啟了鋯研究的新篇章，解決了幾十年來一直懸而未決的重要問題。同時，該項目開發(fā)的方法可以應用于其他材料，為未來材料科學和技術開辟了廣闊的前景。