磁场调控单质金属Al与Zn熔体成核行为的原子结构基础

本研究通过原位高能X射线衍射技术，揭示了0.3/0.4 T静磁场对液态Zn和Al原子尺度结构的差异化影响：Zn的第一配位层膨胀而Al收缩，导致固液界面能(γ)在Zn中增大（抑制成核）、Al中减小（促进成核）。该发现为磁场调控凝固微观组织提供了原子机制支撑，对金属材料加工具有重要指导意义。

　　

在金属材料加工领域，控制凝固过程是优化材料性能的关键。然而，传统方法难以在原子尺度调控成核行为。静磁场作为一种非接触式外场，虽已被用于金属凝固控制，但其原子级作用机制尚不明确。液态金属的短程有序结构如何响应磁场？这种响应又如何影响后续成核？这些问题成为制约磁场技术应用的瓶颈。

中国国家自然科学基金和上海市启明星计划支持的研究团队，在《Scripta Materialia》发表论文，通过原位高能X射线衍射技术（HEXRD）结合0.3/0.4 T静磁场环境，首次揭示了液态锌（Zn）和铝（Al）的原子结构动态演变规律。研究发现两种金属对磁场的响应截然相反：Zn的第一配位层间距扩大0.02 ?，而Al收缩0.015 ?。这种差异直接改变了固液界面能γ——Zn的γ增加12%导致成核势垒升高，Al的γ降低8%则促进晶核形成。磁偶极理论分析表明，该现象源于Zn的顺磁性与Al的抗磁性本质差异。

关键技术包括：1）同步辐射光源BL12SW/BL13HB线站的原位HEXRD；2）0.4 T超导磁体与高温熔体容器的集成设计；3）基于Faber-Ziman理论的径向分布函数（RDF）解析；4）第一性原理计算验证磁致原子重排能垒。

【原子尺度结构演变】
通过RDF分析发现，Zn的g(r)第一峰位右移（2.78 ?→2.80 ?），而Al左移（2.86 ?→2.845 ?），表明磁场可逆地改变了熔体短程有序度。

【固液界面能调控】
采用经典成核理论计算显示，Zn的γ从192 mJ/m²增至215 mJ/m²，Al则从165 mJ/m²降至152 mJ/m²，与差示扫描量热法（DSC）测得的过冷度变化趋势一致。

【磁偶极相互作用机制】
密度泛函理论（DFT）揭示Zn的3d¹⁰电子在磁场中产生0.05μ_B（玻尔磁子）的诱导磁矩，导致原子间排斥；而Al的sp电子则呈现抗磁响应，原子间距缩短。

该研究建立了磁场强度-原子结构-界面能-成核动力学的定量关系，为定向凝固、单晶制备等工艺提供了新思路。特别是发现同种磁场对不同金属可产生相反效果，提示工业应用中需根据材料磁特性定制磁场参数。未来可通过调节磁场梯度，实现多组元合金的偏析控制，这对开发高性能铸造合金具有重要价值。