大量研究表明，在快速凝固条件下的液态单质金属，其体积-温度关系仍普遍遵循正热膨胀趋势（即“热胀冷缩”），很少表现出负热膨胀行为（即“热缩冷胀”）。然而，随着温度的降低，部分液态金属和玻璃熔体在整体体积收缩的情形下，其第一近邻原子之间的平均原子间距却不减反增，键长呈现反常的扩展行为，这完全有违传统认知。该反常现象背后的物理机制，长期存在困惑与争议。

为了解决这一科学问题，并进一步阐明液态金属中径向分布函数(RDF)第一峰位置异常扩展的根本原因，来自南昌师范学院的蒋元祺教授与湖南工程学院文大东博士，吉林大学许强博士、吕健教授，新余学院赵瑞博士以及湖南大学彭平教授课题组密切合作，以单质难熔金属钽（Ta）在五种不同冷却速率下的快凝过程为研究对象，重点关注其快速淬火过程中RDF第一峰的演化行为与深层次物理机制。相关研究成果以“The origin of the anomalous expansion of the first peak in the radial distribution function during the rapid solidification of tantalum metal”为题在Physical Chemistry Chemical Physics上发表。

         

研究人员发现，液态金属钽在非平衡凝固过程中RDF第一峰的位置随温度降低呈现反常的扩展行为，主要源于体系异常亚稳几何结构与电子结构的协同演变。在几何结构方面，低温下快凝体系会形成大量笼状二十四面体（0,0,12,2）和标准二十面体（0,0,12,0），随着温度的继续降低，这两类多面体会进一步沿特定方向相互嵌套，形成兼具五次对称与六次对称的多面体（Ta₂₆-C_2v）。相较于高温熔融状态，低温下这些高配位笼状多面体具有更长的键长和更低的结合能，独特的几何排列与体系的非均匀性从根本上导致了RDF第一峰位置的异常扩展；在电子结构方面，高温下近邻原子间电子局域化函数和Mulliken键重叠布居数显著增大。电子相互作用增强导致高温近邻原子排列更紧密、键长更短，低温下则完全相反。非平衡凝固过程中几何结构与电子结构的这种协同作用，是造成RDF第一峰位置反常扩展的首要原因。

该项工作得到了国家自然科学基金项目、江西省自然科学基金项目、江西省教育厅科技项目、2024年江西省高校中青年学科（专业）带头人支持计划、吉林省杰出青年科学基金项目、南昌师范学院首批“青蓝学者”人才计划以及南昌师范学院高质量科研成果培育项目的大力支持。