多晶钯超快熔融过程中的原子动力学与局部结构无序性研究

本研究通过分子动力学模拟揭示了多晶钯在超快熔融过程中原子动力学（RMSD）与局部结构无序性（nCSP）的关联机制，发现晶界与晶内分别遵循类玻璃转变和Lindemann准则的两种熔融路径，为理解非平衡态熔融的微观机制提供了新视角。

　　

熔融是自然界最常见的相变现象之一，但关于其微观机制的科学争议已持续百年。固态与液态的本质区别在于机械刚性（mechanical rigidity）的丧失，然而传统理论如Born的"刚性 catastrophe"或Lindemann的原子振动位移准则（RMSD临界值δ_L≈0.12-0.13）均未能完整解释非平衡条件下的熔融行为。尤其对于多晶材料，晶界（GB）作为优先熔融位点与晶内均匀熔融的竞争机制尚不明确。

针对这一难题，国外研究团队在《Scripta Materialia》发表的工作通过大规模分子动力学（MD）模拟结合双温度模型，研究了飞秒激光激发下多晶钯（Pd）的熔融动力学。研究采用20×23×30 nm³的Pd体系，通过归一化中心对称参数（nCSP）量化局部无序性，同时计算原子在y-z平面的位移（u）以表征动力学行为。

主要技术方法

1. 分子动力学模拟耦合双温度模型（描述电子-晶格能量传递）
2. 改进的中心对称参数（nCSP）算法：量化局部原子排列偏离理想fcc结构的程度
3. 原子位移（u）计算：排除热膨胀影响，聚焦y-z平面扩散运动
4. 多晶体系构建：包含Si₃N₄基底/SiO₂覆盖层的界面模型

研究结果
1. 竞争性熔融路径的时空演化
通过能量密度（0.48-1.4 MJ/kg）调控发现：低能时晶界优先熔融（nCSP>0.07），高能时晶内均匀熔融主导。原子位移分布显示，熔融区域u值突增（>0.33 ?），对应Lindemann参数δ_L=0.12。

2. 双峰分布的动态演化
nCSP直方图呈现双峰（P₁≈0.005对应晶内，P₂≈0.07对应晶界）。随温度升高，P₁向P₂转化，而u分布单峰连续右移，揭示晶内熔融的突变特性与晶界的渐变特性。

3. 动力学-无序性关联图谱
u-nCSP密度图显示：晶内原子需跨越δ_L阈值（u≈0.33 ?）后进入高无序态（nCSP≈0.08-0.10），该值恰与单空位周围原子的nCSP吻合；晶界原子则呈现连续演化，类似玻璃化转变。

结论与意义
该研究首次在原子尺度建立了RMSD与nCSP的定量关联，统一解释了多晶材料中两种熔融机制：
1）晶内熔融遵循"缺陷介导"路径：达到δ_L后，空位浓度骤增引发结构失稳；
2）晶界熔融呈现"类玻璃转变"特征：预存无序性使原子位移与结构变化同步连续。
这一发现为理解超快相变中非平衡态的形成机制提供了新范式，对激光加工、纳米晶材料设计等领域具有重要指导价值。