莫斯科物理技术学院和俄罗斯科学院高温联合研究所的研究人员进行了一项大规模研究，首次高精度地确定了极高温度下液态和超临界状态下锆的热物理性质。这篇文章发表在《物理评论 B》杂志上。这项工作得到了俄罗斯科学基金会的支持，结合了使用量子分子动力学的先进量子力学计算和在高压室中对锆样品进行超快脉冲加热的独特实验。这项研究对材料科学和核安全做出了重要贡献，为精确实验测量提供了以前无法获得的数据。利用第一性原理的计算，科学家们确定了锆临界点的参数，即液体和气体之间的边界消失的状态。临界温度为9400 K，临界密度为1380 kg/m3，临界压力为3350个大气压。这些结果极大地阐明了对锆在高温下特性的理解，因为之前估计的临界温度在 8000 到 17000 K 的范围内变化。“基于密度泛函理论和强大的超级计算机的现代建模方法使得再现在实验室中不可能或极难再现的物理条件成为可能。这对于在包括核反应堆在内的极端条件下使用的材料（例如锆）尤其重要。”研究负责人、俄罗斯科学院高温联合研究所材料特性建模实验室高级研究员德米特里·米纳科夫（Dmitry Minakov）评论道。 “我们不仅完善了对锆关键高温特性的了解，而且还表明我们的理论计算与最新的实验数据是一致的。这增强了人们对第一原理计算方法本身作为研究工具的信心。”俄罗斯科学院高温联合研究所进行的实验包括在 3000 个大气压以上的压力下通过电流超快脉冲加热锆丝样品至 6000 K 的温度。这使得测量相图先前未探索的区域中的液相的焓和锆的电阻成为可能。计算得出的电阻率依赖性得到了实验证实，它预测锆的电阻率在临界点附近会增加五倍。俄罗斯科学院高温联合研究所极端能量效应实验室主任 Mikhail Sheindlin 强调：“我们首次证明了这两种方法（实验和理论）在热物理性质研究中的协同作用。我们的实验方法是用高密度电流脉冲加热放置在惰性气体压力为数千个大气压的室内的锆金属样品，使我们能够获得独特的高温数据。该技术的一个特点是使用具有独特特性的高温计精确测量样品温度。然后用量子力学计算的结果补充获得的实验数据。这种方法不仅提高了结果的可靠性，而且使研究超出现代实验能力的现象成为可能。”该研究还揭示了锆在高温下行为的许多重要特征。因此，等容热容在临界点附近急剧增加，而格吕奈森参数相反，降低到理想气体值以下。锆的正常光谱发射率在高达 4000 K 的温度范围内几乎保持恒定，但随着接近临界温度而增加 50%。在这项工作中使用高温测量方法进行温度测量时必须考虑到这种现象。最后，这项研究提供了有关液态锆中声速的第一个数据。莫斯科物理技术学院高温过程物理系主任 Pavel Levashov 补充道：“计算方法为理解材料特性开辟了新视野。” “我们的计算使得构建液态和超临界状态下锆的状态方程成为可能，并重建临界等压线并估计液-气平衡曲线直至临界点的位置。这些数据对于开发有前景的高温技术非常重要。”获得的结果对于理解材料与激光辐射相互作用时的高温行为以及模拟核能中假设的紧急情况具有实际意义。了解锆的相变和关键特性对于开发能够在极端条件下运行的新型结构材料是必要的。“这项工作展示了实验与理论之间的相互作用有多么强大，”德米特里·米纳科夫总结道。 “我们开启了锆研究的新篇章，解决了几十年来一直悬而未决的重要问题。但这仅仅是开始：该项目开发的方法可以应用于其他材料，为未来材料科学和技术开辟广阔的前景。”