ω-TiZr合金中氢氧表面与体相扩散机制的第一性原理研究：真空吸气材料性能优化新视角

本研究针对真空吸气材料ω-TiZr合金的微观吸附/扩散机制不明问题，采用第一性原理计算系统探究了H和O原子在表面及体相中的扩散行为。发现H在表面H3→H2位点扩散能垒最低（0.145 eV），体相OC4→OC5路径能垒仅0.386 eV；O原子扩散能垒（0.433-0.489 eV）受合金化影响较小。理论计算的扩散系数与实验值高度吻合，为设计高性能非蒸散型低温吸气剂（NEG）提供了原子尺度理论依据。

　　

在真空科技领域，维持超高真空环境如同在浩瀚宇宙中创造一个"无尘室"，而非蒸散型低温吸气剂（NEG）正是这一特殊空间的"分子吸尘器"。钛锆合金作为NEG核心材料，其ω相因卓越的热力学稳定性备受关注，但原子尺度的气体吸附/扩散机制始终是未解之谜。这一认知空白直接制约着新一代吸气材料的开发——就像不了解齿轮传动原理就难以改进机械钟表，不清楚氢氧原子在合金中的迁移规律，就无法精准调控材料的吸气性能。

中国科学技术大学等机构的研究团队在《Vacuum》发表的研究，如同为这一黑箱装置安装了原子级显微镜。研究采用密度泛函理论（DFT）结合爬坡弹性带（CINEB）方法，构建ω-TiZr合金表面与体相模型，通过声子谱验证结构稳定性后，系统计算了H/O原子的吸附位点偏好、扩散路径能垒及温度依赖的扩散系数。

Phonon dispersion curves of ω-TiZr
声子谱计算证实ω-TiZr在Г-K-M-Г-A路径上无虚频，其动力学稳定性如同建筑的地基检测报告，为后续扩散研究提供了可靠的结构基础。

表面扩散机制
表面吸附分析揭示H原子在H2位点吸附最强（能垒序列H2>H4>H1>H3），而O原子则偏好H4位点（H4>H2>H3>H1）。最有趣的发现是H原子在H3→H2路径的能垒仅0.145 eV——相当于室温下原子就能轻松跨越的"小土坡"，而O原子在H3→H4路径需克服0.433 eV能垒，这种差异如同登山者与负重旅行者的体力差别。

体相扩散机制
体相扩散分析显示，H原子在OC4→OC5路径的能垒（0.386 eV）显著低于纯Zr，如同在合金中开辟了"原子高速公路"；而O原子在OC4→OC2路径的能垒（0.489 eV）与纯Ti/Zr相当，暗示合金化对O扩散影响甚微。这些数据完美解释了实验观测：ω-TiZr对H的捕获效率比O高约3倍。

结论与展望
该研究首次绘制出ω-TiZr中H/O扩散的原子级"地图"，揭示合金化可选择性调控H扩散（TiZr>Zr>Ti）而对O扩散影响有限的规律。这为设计"氢氧分离"型吸气材料提供了理论蓝图——就像定制筛网时知道不同颗粒的通过特性。未来基于此可开发具有梯度扩散能垒的多层吸气薄膜，在核聚变装置（如EAST）、同步辐射光源等极端真空环境中实现智能气体捕获。正如研究者Yuqing Wang和Yang Zhu强调的，这项工作架起了从量子计算到真空工程的桥梁，开辟了通过成分设计优化吸气材料性能的新范式。