近日，吉林大学材料科学与工程学院张侃教授与合作者在Advanced Materials杂志上发表了题为“Core electron count as a versatile and accurate new descriptor for sorting mechanical properties of diverse transition metal compounds”的文章。本文报导了内壳层电子数(CEC)对过渡族金属轻元素(TM-LE)化合物成键行为的关键作用的新发现，提出CEC对材料成键行为具有前所未知的重要影响。其与价电子浓度(VEC)结合的全新组合描述符，可精确建立VEC-CEC与过渡族金属氮化物(TMN)和过渡族金属二硼化物(TMB2)的力学性质变化趋势的关系。

      力学性质是最基础、最重要的材料性质之一，在很大程度上决定了材料的应用范围和服役寿命。随着工业技术的飞速发展，关键装备相关材料应用场景多元化，对材料力学性质提出了更为广泛和细致的要求。因此，寻找可以准确并规律性地描述材料力学性质变化的关键因子(描述符)，实现对材料力学性质的高效筛选、分类和预测具有重要意义。

      TM-LE化合物因具有化学惰性、热稳定性及抗氧化性等优异综合特性而备受关注。同时，这类材料多具有硬质甚至超硬特征而得到广泛应用。然而，过渡族金属元素种类多样，与轻元素形成的TM-LE体系呈现多组分、多结构特征。因此，寻找TM-LE体系的力学性质描述符对于优化和设计其力学性质至关重要。前期工作发现VEC可以捕捉到结构不同的TMB2和TMN/TMC的力学性质整体变化趋势，具有跨结构普适性。但是， VEC作为独立描述符存在严重不足：在任一体系中，TM-LE化合物的VEC相同时，力学性质呈现出分布较广、相关数值呈离散分布的特征，而相近VEC下的TM-LE化合物的力学性质则存在大范围重叠。因此，亟待在VEC的基础上寻找第二描述符实现对TM-LE化合物力学性质的进一步精准描述，为优化和设计高硬-高韧材料提供有效判据。

      团队在现有报道VEC对材料力学性质影响的基础上，提出建立全电子结构与TM-LE化合物力学性质关系的思想，构建VEC-CEC的全新组合描述符，既能成功描述具有不同晶体结构和键合差异的TMN和TMB2的力学性质变化趋势，又同时解决了这两个体系中同VEC下的数值离散分布问题，精准度分别达到95.06% (TMN)和92.59% (TMB2)。随着VEC增加，TMN或TMB2整体由脆性向延性转变，而在VEC相同的TMN或TMB2中，随着溶质原子CEC增加，溶质原子各方向电子离域现象变得显著。此现象源于内壳层电子屏蔽作用对价电子与带正电的原子核之间相互作用具有显著影响，上述电子离域现象进一步导致金属原子价电子间d-d相互作用增强，进而提高材料延展性。VEC-CEC描述符有望适用于设计预测更为广泛材料体系的力学性质，为靶向设计具有特定力学性质的材料体系开辟了新途径。

      吉林大学材料科学与工程学院博士研究生张睿和谷鑫磊为本文共同第一作者。本文通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院张侃教授和物理学院刘畅博士。美国内华达大学拉斯维加斯分校陈长风教授也参与了此研究工作。该工作得到了国家自然科学基金，吉林省自然科学基金，吉林大学“金种子”计划项目资助。

相关文章：Rui Zhang†, Xinlei Gu†, Kan Zhang*, Xinxin Gao, Chang Liu*, and Changfeng Chen, “Core Electron Count As A Versatile And Accurate New Descriptor For Sorting Mechanical Properties Of Diverse Transition Metal Compounds”,Advanced Materials, 202304729 (2023)

论文全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304729