东京工业大学物质理工学院的渡边学助教、田中友规研究员、合田义弘副教授，高亮度光科学研究中心同步辐射利用研究基础中心的高木康多主干研究员，日本东北大学国际同步辐射创新与智能研究中心的中村哲也教授、高田昌树教授，东北大学多元物质科学研究所的福山博之教授等人组成的联合研究团队发表研究成果称，成功地从电子态层面解释了钯铁合金混合时产生过量体积效应的原因，而在此之前，产生该现象的原因一直未能做出合理解释。该研究有望应用于金属制品开发领域，提高铸造等工序中使用的熔融金属的数字模拟精度。相关研究成果已于2月1日发表在国际学术期刊《Acta Materialia》上。
图（a）石子和沙混合时：沙会进入石子的间隙（孔洞）之中，因此混合后体积较混合前反而减小。（b）钯原子和铁原子混合时：体积因混合而增大（过剩体积效应）。合金中钯原子之间的吸引力（金属键）减弱，钯原子倾向于远离铁原子，从而导致体积增大。（供图：东京工业大学）
当两种不同原子尺寸的金属混合形成合金时，体积通常会较混合前减小，但在钯铁形成合金时，体积反而会较混合前增大（过剩体积效应）。
就此问题，本次研究团队采用了一种着眼于使原子彼此吸引的“电子”行为的新方法。通过对钯铁合金的电子态进行理论计算，并进行高亮度同步辐射X射线的硬X射线光电子能谱测量，结果发现，钯原子之间的吸引力（金属键）出现了减弱。当金属键减弱时，钯铁合金的体积就会增加，从而产生过剩体积效应。
研究人员使用理论计算（第一性原理计算），推算了可发生有序-无序转变，且表现出此前的研究无法解释的显著过量体积效应的钯铁合金电子态。针对这一理论计算预测的钯的电子态变化，在大型同步辐射设施SPring—8BL46XU上进行的硬X射线光电子能谱测量也推算出了相同的趋势，理论计算与实验结果相一致。
渡边助教表示：“本项研究是熔融金属的基础研究，此类研究已经进行了80多年。因此一般认为，该领域的绝大多数研究已经完成。但是此次，我们得到了以Spring-8为代表的同步辐射设施研究人员的帮助，获得了电子论与热物性相关的新成果。未来，我们还计划利用从2024年开始在日本东北大学青叶山新校区投入使用的3GeV高亮度同步辐射设施（NanoTerasu）开展研究，进一步深入研究熔融金属以及电子论的关联性。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Acta Materialia
论文：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
