理学院副教授张葳葳研究成果在Science杂志发表(图文)

新闻中心 2013年12月23日 报道 浏览次数:

  

      

  

      

  

  本网讯(记者 欧阳永志) 1220日,Science杂志发表了我校理学院副教授张葳葳在高压物理领域的最新研究成果“Unexpected stable stoichiometries of sodium chlorides(钠氯间反常计量比化合物)”。这是我校物理系教师首次以第一完成人身份在该杂志发表高水平论文。文章打破基础化学传统的八电子规则,开创科学研究新领域。

  该文由我校理学院物理系张葳葳副教授和美国纽约州立大学石溪分校地学系材料设计中心, 先进计算科学研究所Artem R. Oganov 教授,美国华盛顿-卡内基研究院Alexander F. Goncharov教授等,以及其他欧美国外科研机构科研人员合作完成。

  文章打破了基础化学的基本规律之一——八电子规则,革命性地开创了科学研究的新领域。文章通过理论预测,并实验验证了在Na-Cl体系中,违背八电子规则的反常化合物的稳定存在。

  八电子规则指出,原子之间形成化合物的时候,通过电子转移,共享电子对而使每一个原子都具有惰性气体的八电子稳定结构。依据这一规则,一个Na转移最外壳层的一个电子到一个Cl最外壳层上,而使每对NaCl都有稳定的八电子外层结构,形成化合物氯化钠,由此11配比的NaCl长期以来被教科书公认为NaCl之间能够稳定存在且唯一稳定存在的化合物。然而,研究小组理论预测发现,在超高压下,NaCl之间还可以形成除了NaCl以外的其它成分比的化合物,诸如Na3Cl Na2Cl Na3Cl2NaCl3NaCl7等,这些化合物是经典化学理论框架下断然不被允许的。根据理论预测结果,在实验室的超高压条件下,研究小组合成了Na3ClNaCl3两种化合物,并发现这两种化合物在低至20GPa时,仍然稳定存在,理论预测和实验现象的高度吻合确保结论的合理无误。

  这表明,即便是在耳熟能详的教科书体系---Na-Cl体系中,尚有不为人知的、崭新的化学现象。这预示着,在其他体系,如行星内部,地壳内部(Mg-Si-O),以及生物体(C-H-N-O)中,也可能存在违反基本规律的类似化学现象,该类科学研究有望帮助科学家理解地球、行星,以及生命体相关的反常现象。同时,这也意味着,这种理论模拟手段是可以被可靠的用来设计我们所需要的材料。如Na3Cl理论预测结果显示它是由一层NaCl和二层金属Na交替排列而成,这决定Na3Cl在层状堆积方向上是绝缘的,而在层平面内是导电的,表现出二维金属特性。关于二维金属的科学研究是目前科研热点问题之一。

  科学前沿研究的本质是要破旧立新的,但很少人敢于挑战科学领域的基本规律和定律。研究小组的这一发现突破了人们对基础化学基本规律的传统认知。这就像一块被发现的新大陆,需要人们去更多地规划、建设,从这个意义上讲,该文章引出了大量的可探索的新课题。

  Science杂志评委们对文章给出高度评价:“作者从理论预测和高压实验两方面尽善尽美的展现了反常计量比的NaCl间化合物。”“在NaCl体系中不寻常成分比化合物的发现,其卓越的科学本质必将引起科研工作者的广泛兴趣。”“理论预测和实验数据之间高度契合,揭示了又一个化学研究的新领域”“NaCl间反常化合物的发现将会激发对于其他离子化合物体系的研究兴趣,为相图方面的科学探索打开广阔空间。”

  值得一提的是,文章入选本期”perspective”栏目,由业内学者做重点点评;插图被 ”this week in science”栏目选用。这凸显了该研究成果的重要性。

  英国科技类期刊Chemistry World特约撰稿人在第一时间采访了文章的第一作者,并就这一成果作了报道。

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