新的理论为金属的结构提供了答案

一种简单的新理论已经发展出来，它可以解释为什么金属会形成某种特定的结构。¹该方法使研究人员能够在广泛的条件下了解和预测固体化合物和合金的结构。“这个理论是基于我们的发现，许多金属中的电子占据了所谓的准原子轨道，这是局部量子轨道，中心在原子之间的空隙，”解释说罗素Hemley美国伊利诺伊大学芝加哥分校的一名研究人员，他和桑帕苗来自加州州立大学北岭分校。“这种局部电子之间的化学相互作用控制着金属结构，”他补充道。

“这种新的金属化学视角是物理学家提供的传统自由电子气体模型的另一种选择，”评论道Alvaro Lobato他是西班牙马德里康普顿斯大学(Complutense University of Madrid)的理论化学家，没有参与这项研究。他说，在新的化学模型中，金属的行为就像具有正核的无机晶体和作为正离子和阴离子相互作用的准原子。

赫姆利指出:“确定金属结构及其在周期表中的模式是一个谜，自从大约100年前第一个金属结构被x射线衍射探测到以来，这个谜一直没有解决。”他指出，有几类金属的结构仍然不能用“物理”或带结构模型来描述。“尽管我们可以解释金属和其他化合物的许多高级性质，比如超导性，但我们不明白为什么有些金属结晶成面心立方结构，有些金属结晶成六边形密实结构，还有一些结晶成体心立方结构。”

但当金属受到压力时发生的结构变化更令人费解，Hemley补充道。“许多金属放弃了高对称性结构，转变为低对称性和大空隙，所以有许多高压结构不是紧密排列的，这是违反直觉的。”

“这些结构转变是由一种我们称之为亚晶格相互作用的效应引起的，”苗说。他解释说，金属晶格可以分成两个子晶格。他说:“如果子晶格的电子定位匹配，那么子晶格的插入会稳定结构，但如果电子定位导致两个子晶格之间的排斥相互作用，那么整个结构就会不稳定。”“在足够高的压力下，所有高对称性结构都变得具有排斥性，因此金属别无选择，只能采用具有较大空隙和较低对称性的结构。”

为了了解不同的系统，该团队进行了精确的量子力学计算，包括定义良好的电子状态，并在周期表上模拟了许多金属的结构，包括在压缩下。他们仔细检查了许多不同金属、晶格和尺寸的金属晶格的电子状态，并分析了电子定位。

José曼努埃尔·雷西奥西班牙奥维耶多大学的一位材料科学家说，新理论代表了在原子水平上理解材料的一个根本性进步，因为它具有普遍的视角。“不仅适用于环境条件下的结晶固体，还适用于极端压力和温度条件下的扩展。”

研究人员最初是在寻找高压电子体存在的简单化学解释，这是一种令人惊讶的现象，一些碱金属在压力下可以成为透明的绝缘体。赫姆利说:“研究这个问题让我们得出了一个简单的理论，它适用于许多其他元素金属和环境条件下的化合物。”“这是一个例子，说明在极端条件下对物质的研究可以让我们了解正常或更熟悉条件下的化学和材料。”

Miao指出，该理论有一些局限性，因为金属结构是许多因素的结果，包括温度、核量子效应和磁相互作用。他补充说，目前的方法没有包括这些。“然而，在大多数更复杂的情况下，局部电子化学仍然是结构偏好的主要因素。”

这种新方法可以用来预测不同类型固体的行为，包括超氢化物、低维材料、金属间化合物和离子化合物，可以帮助科学家找到具有令人兴奋性质的材料。苗说:“我们的概念框架和化合物的相关理论可以用来寻找和预测新的金属超氢化物，它们可能在高温和低压下超导。”