新闻网讯（通讯员杨柳）近期，《自然·通讯》(Nature Communications)发表了土木建筑工程学院副教授高恩来课题组关于原子刚度理论的研究成果。相关研究提出了高效、准确、简洁、普适预测体积模量的原子刚度理论，指引从百万晶体结构中发现数十种体积模量媲美金刚石的新型晶体，大幅扩充了极不可压缩物质家族。
论文题为“用于预测体积模量的原子刚度理论与高通量筛选极不可压缩晶体” (Atomic stiffness for bulk modulus prediction and high-throughput screening of ultraincompressible crystals)。我校2021级本科生靳蕊华、2021级硕士生袁笑昂为共同第一作者，高恩来副教授为通讯作者，武汉大学为唯一署名单位。
高恩来课题组理论定义了用于衡量原子抵抗体积变形能力的新型物理度量——原子刚度，并标定了化学元素周期表中每种元素的原子刚度 (图2)。研究发现每种元素的原子刚度值对该元素所处的局域化学环境(应变、同素异形体等)不敏感，几近为一个常数，这为便捷利用原子刚度预测体积模量提供了有利条件。进一步，研究小组基于宏微观固体力学原理，理论推导出用于体积模量预测的简洁、普适公式：B = ∑xiSi/V，其中xi、Si 和V分别为物质中元素i的原子分数、原子刚度和物质的平均原子体积。数千种晶体数据验证表明，相比过去的经验/半经验公式、第一原理计算、机器学习方法，该公式展现出显著的高效、准确、简洁、普适等一体化优势。
图2 化学元素周期表中元素的原子序数及其体积模量、原子体积与原子刚度标定值
图3 基于理论公式绘制的超高模量物质藏宝图
在该理论公式指引下，研究小组对现有数据库中百万种力学性能未知的晶体开展了体积模量高通量预测，从中筛选出超高模量晶体，并经第一原理计算验证，发现了47种刚度媲美金刚石的物质(体积模量 > 400 GPa)。作为对比，美国材料基因组计划数据平台Materials Project历时近十年使用第一原理计算只计算出一万多种晶体的弹性信息，其中刚度媲美金刚石的晶体不足十种(体积模量 > 400 GPa)。基于这个理论公式，研究小组绘制了超高模量物质的元素组合藏宝图 (图3)，为未来逆向设计新型刚度媲美金刚石物质指明方向。
该工作得到了国家自然科学基金委的资助，其中的计算模拟工作在武汉大学超级计算中心完成。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39826-2
（实习编辑：裘绮影 编辑：张丽平）
