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新材料

依托计算模拟进行从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究,以及模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能,模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理,进而实现材料性能的改善和材料设计,在现代材料学领域中发挥的作用会越来越大,已成为与实验室的实验具有同等重要地位的研究手段。

目前在“天河一号”超级计算平台上,有超过上百个科研团队在从事材料研究领域的计算模拟工作,包括中科院物理所、清华大学、北京大学、中科大、中科院大化所、复旦大学、东南大学、香港理工大学等单位。

高压液态金属氢

北京大学科学家研究发现由于氢原子核本身的核量子效应,在900GPa到1200GPa之间,氢可能以一种低温金属量子液体的形式存在,其研究成果发表在国际顶级学术期刊《自然-通讯》杂志上。该文章首次报道了分子模拟中的高压低温液态氢这种奇特的物质,并且利用理论模拟手段证明了这种物质形态的存在根源是氢原子核自身的核量子效应。

图 氢在高压、低温下的行为

在这篇文章中,科学家们通过第一性原理电子结构计算与路径积分分子动力学方法的结合,对这个问题展开了系统的研究。研究结果表明,由于氢原子核本身的核量子效应,在900GPa到1200GPa之间,氢可能以一种低温金属液体的形式存在。

本文结论与此前仅考虑将氢原子核本身进行经典处理的传统方法完全相反,将人们对氢相图的认识大大推进了一步,同时对高压物理的基础研究也具有重要意义。

纳米催化剂

中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室在反应条件下纳米催化剂稳定性理论研究方面工作取得最新进展,研究成果以全文在线发表在国际顶级期刊 Journal of the American Chemical Society。该工作得到国家自然科学基金和科技部973项目的资助,科学计算在天津国家超级计算中心“天河一号”上完成。

纳米催化剂由于尺寸较小、比表面积高,稳定性差,在热力学上倾向于聚集和烧结。在实际反应条件下,催化剂的聚集和烧结可能会被进一步显著加快,并最终导致催化剂失活。因此如何提高反应条件下催化剂的稳定性、抑制催化剂的烧结,并且高效地实现烧结催化剂的分解与再生,是多相催化剂工业化过程中长期以来所面临的重大课题。

图 反应条件下纳米催化材料稳定性理论取得新进展

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