研究背景 废弃X射线胶片是医学成像中产生的典型危险废物，其含银乳剂层与难降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材的高效处理直接关系到重金属污染与塑料污染的防控。传统处理方法中，湿法冶金相对环保且能生产高纯度产品，火法冶金操作简便、适合大规模处理，但二者均无法高效、环保地转化胶片中的有机组分。超临界水气化（SCWG）则可实现有机组分的均相气化与制氢，在废弃胶片资源化方面表现出明显优势。然而，SCWG 过程涉及复杂的自由基反应，其微观反应机理仍未得到系统阐明。因此，结合实验与分子动力学模拟系统研究废弃X射线胶片在超临界水中的气化特性与内在机理，将有助于推动这类医疗危险废物的可持续处置与高值化利用。 研究内容 本研究以废弃X射线胶片中的主要有机成分 PET 为代表性材料，采用密度泛函理论计算与 AMS 的 ReaxFF 分子动力学模拟相结合的方法。具体而言，利用 AMS 的 ADF 模块对 PET 分子结构进行几何优化，并分析反应能量壁垒；同时通过 ReaxFF 分子动力学模拟研究 PET 在超临界水环境中的分子演化过程，包括分子链断裂、重结合及气化产物生成等动态行为。 图1显示不同温度下实验数据与分子动力学（MD）模拟结果的对比。实验获得的H2和CO产率与MD模拟结果具有良好的一致性，表明 MD 方法可用于模拟 PET 在超临界水中的分解过程。H2 和 CO 同时反映了水-气转化、蒸汽重整、甲烷化以及自由基分解等核心反应路径的方向和强度。 图 1. 不同温度下实验数据与模拟数据的对比：(a)二氧化碳气体产率；(b)氢气气体产率 图 2 显示，从机理上看 H・与・OH 主要来自水分子均裂和 PET 断键，升温通过提高分子动能和碰撞频率加速其生成；CO 源于 PET 碳链热裂解与水蒸气重整，这类吸热反应在高温下热力学和动力学均更有利，生成速率与产率随温度持续升高；CO2 由 CO 与・OH 氧化生成，受温度和前驱体浓度共同调控，温度依赖性较弱；H2 来自 H・复合、有机中间体脱氢及水煤气反应，高温下 H・浓度与活性高、水煤气反应加剧，使其成为对温度变化最敏感的物种之一。 图 2. 分子动力学模拟中不同温度下主要粒子数量随时间的变化情况：(a) H 自由基；(b) OH […]

研究背景 相变是凝聚态物理与功能材料领域的核心研究方向，相变性质直接影响材料的应用性能。在新兴的磁制冷技术中，一阶相变伴随潜热、熵变数值大，但普遍存在磁/热滞损耗；二阶相变无滞后、循环稳定性优异，制冷温区更宽，但磁熵变峰值偏低。近年来，科研人员发现在磁制冷材料中引入外来元素，不仅能调节相变温度，在某些情况下甚至还能改变材料本身的相变性质。例如，本征的 Eu2In 铁磁材料发生一阶相变，但当掺杂非磁性 Yb 形成 Eu1.25Yb0.75In 时，相变转变为二阶相变；当两个本身都发生一阶相变的铁磁材料 Pr2In 和 Nd2In 形成 PrNdIn 合金时，竟出现所谓的“边界一阶相变”。针对掺杂改变相变性质的科学问题，现有研究仅聚焦单一母相的本征电子结构，相变性质演化的微观电子起源缺失，从而制约了相变性质的定向设计。南京大学陆海鸣副教授课题组以稀土 RE2In 合金为研究对象，结合第一性原理计算与朗道-金兹堡自由能展开理论，系统探究了相变性质演化的电子起源。以 Yb 掺杂的 Eu2In 体系为模型体系，定量引入模-模耦合系数b作为相变判据（b为负对应一阶相变，b为正则对应二阶相变），通过计算费米能级附近的态密度，揭示驱动相变性质演化的特定位点轨道杂化作用；并借助化学掺杂、静水压双重调控手段验证机制，澄清 PrNdIn “边界一阶相变”的本质为弱一阶相变；最终基于杂化工程理论设计出新型一阶磁制冷材料 ErPrIn，实现了从机理阐释到材料预测的闭环。 研究内容 图 1、Eu2-xYbxIn的无磁态电子结构与模-模耦合系数。（a）Eu2In、（b）Eu1.75Yb0.25In、（c）Eu1.50Yb0.50In、（d）Eu1.25Yb0.75In在费米能级附近的总态密度、和（e）模-模耦合系数随Yb掺杂浓度的变化关系 Eu2In 金属间化合物因兼具巨磁热效应、低热磁滞后等优势，成为理想的磁制冷材料。其具有正交 Co2Si 型结构，存在两种不等价的 Eu 位点——Eu-I 和 Eu-II。由于 Yb 掺杂的 Eu2In 体系有充足的相变性质演变的实验数据可供参考，作者选取 Eu2-xYbxIn（x 为 Yb 掺杂浓度）作为模型体系。通过第一性原理计算，发现当Yb 逐渐替代 Eu 时，Yb 优先占据与 In 键合更强的 Eu-II 位点。通过计算不同 Yb 浓度下 Eu2-xYbxIn 的无磁态电子结构与模-模耦合系数 b（图 […]

研究背景 探索平面超配位及非常规键合模式，在半个多世纪以来不断挑战着经典化学键理论的边界。自 1968 年 Monkhorst 提出平面四配位碳的设想以来，该领域已从碳元素逐步拓展至硼等其他主族及过渡金属等诸多元素。然而，卤素因极高的电负性和局域轨道特性，难以实现有效的电子离域，一直被视为平面超配位设计的难题，直至近年才相继实现了平面四配位和五配位卤素结构的突破。面对能否将这一理论极限延伸至六配位结构的科学疑问，近日，Gabriel Merino 教授团队在 Chemical Science 期刊发表了题为“Planar hexacoordinate chlorine”的研究论文，报道了首个设计成功的热力学稳定平面六配位氯团簇。这不仅证实了平面六配位卤素的可行性，更将其与超卤素化学相结合，为主族元素化学研究提供了全新的设计思路。 研究内容 通过理论计算确立了Cl©Zn6O6−（1）的几何构型，其呈现出完美的 D6h 星型对称结构，中心氯原子被六个锌原子和六个氧原子包围。该结构在所有测试理论水平下均无虚频，确证为真正的能量极小点。键长与 Wiberg 键级(Wiberg bond indices, WBIs)分析表明，Cl–Zn 键长（2.94 Å）远长于标准共价单键，且键级仅为 0.08。自然布居分析（natural population analysis, NPA）揭示了独特的“负-正-负”电荷分布模式（Cl: −0.76; Zn: +1.39; O: −1.43 |e|），表明该结构具有一个稳定的平面核-壳（planar core–shell assembly）组装体[Cl−]©[Zn6O6] (图1)。这种特殊的静电环境有效缓解了 Zn6O6 环内的排斥力，使得 Cl− 的插入反应释放出高达 -70.5 kcal/mol 的能量，证明了其极强的热力学稳定性。进一步的研究发现，中心原子与配体环的尺寸匹配是实现稳定的平面六配位的关键：F 原子因半径过小、而 Br 原子因半径过大均导致结构存在虚频而无法稳定存在，唯有 Cl 原子与刚性 Zn6O6 环完美契合。动力学模拟（Born–Oppenheimer molecular dynamics, BOMD）结果显示，该团簇在高达 900 K […]

研究背景 自旋电子学通过利用电子自旋而不仅是电荷来存储和处理信息。当前磁随机存储器等器件大多依赖铁磁体的宏观磁矩进行读写，但铁磁体容易受到外部磁场干扰，并会产生杂散场，限制器件高密度集成。反铁磁体（AFMs）中相邻自旋反向排列，净磁矩为零，因此天然具备抗磁场干扰、低杂散场和太赫兹尺度超快磁动力学等优势。 然而，判定一个材料是否具有反铁磁基态，并非仅由化学组成决定。在高对称性的磁性晶体结构中，位于不同空间格点的磁性原子，其自旋构型可能更容易满足空间反演和时间反演的联合对称性。这种对称性将导致自旋向上与自旋向下的能带完全简并，从而形成反铁磁序。因此，反铁磁材料的发现本质上是一个多维度问题，需要同时兼顾化学空间的广度、几何结构的合理性以及晶体对称性等多重约束。 近年来，深度生成模型在晶体逆向设计中展现出巨大潜力1-4。但现有生成模型普遍缺乏对晶体对称性的显式编码，导致其生成高对称结构的效率偏低3,4，往往更倾向于产生低对称性乃至 P1 空间群的结构，难以系统地探索反铁磁材料更可能涌现的高对称空间。 研究内容 杭州电子科技大学张正明副教授等人提出了一种名为SG‑CDVAE的生成框架。他们将晶体对称性这一关键物理信息嵌入到生成模型架构中，从而实现对高对称反铁磁材料的定向设计。SG-CDVAE 以 CDVAE 为基础，同时编码晶体几何结构和空间群仿射矩阵：通过周期图神经网络编码器提取几何隐变量 zgeo，通过二维卷积编码器提取对称性隐变量 zsg，两者拼接后形成融合几何与对称信息的完整隐变量 z。在训练阶段，模型一方面用  z 预测组成、晶格和原子数，另一方面用 zgeo 预测空间群编号；扩散解码器则在 z 条件下对加入噪声的原子坐标和原子类型进行去噪，重构晶体结构。这样做的目标是让隐空间不只学到局部几何，还能学习全局对称性。在生成阶段，引入了匹配采样（matched sampling）策略。首先随机采样 zgeo，预测其对应的空间群及仿射矩阵，再编码得到匹配的 zsg，从而确保生成的晶体结构在初始时就具有较高的对称性。对比实验表明， SG‑CDVAE生成的高对称结构（空间群编号 SG ≥ 25）比例达 19.62%，远高于原始 CDVAE（3.85%）。 图1. SG-CDVAE 同时编码晶体几何与空间群仿射矩阵，并通过匹配采样生成高对称结构 图2. SG-CDVAE显著提升空间群SG >= 25 高对称结构生成比例，并给出不同晶系分布 为快速评估生成晶体的稳定性和磁性，构建了基于 CHGNet5 的高通量筛选流程。首先，用 SG-CDVAE 大量生成晶体结构；然后保留磁性原子数为偶数的结构，这是因为补偿反铁磁序通常需要成对的磁性原子格点；接着使用 CHGNet 快速弛豫晶格和原子位置，并保留形成能 FE < 0 eV/atom 的结构。磁性判断采用两级分类器区分磁有序/非磁，以及反铁磁/铁磁/亚铁磁。最终筛出 80 个 SG >= 25 的高对称反铁磁候选。 图3. 基于 MLIP 的高通量AFM筛选工作流程 […]