本项目为基础研究，学科领域属于金属材料中物理问题。

    本项目研主要是通过对完成的国家自然科学基金项目"过冷熔体形核初期团簇动力学行为和热力学特性的模拟研究（编号：51101022）"和长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（CHD2012JC096, 310812152001）研究成果的凝练和总结。

    金属熔体的凝固都将经历液-固相变，相变过程体系微观结构的转变机制对材料最终凝固组织的结构和性能起着至关重要的影响。然而，金属熔体在液-固相变过程，体系中原子团簇在很短时间便迅速长大为宏观晶粒，时间和空间尺度均非常短，目前实验上还难以对金属熔体液-固相变过程原子团簇的动态演变过程进行直接跟踪研究。经典形核理论是当前分析液-固相变机理的重要理论，但该理论使用各种宏观热力学参数描述原子团簇形核和长大微观过程，对原子团簇的动力学行为进行了各种理想化的假设，其准确性目前受到大量的质疑。计算机模拟为从原子尺度上研究液-固相变微观机理提供了有效的手段，但当前常用微观结构表征方法难以有效识别不同结构类型的原子团簇。因此，建立精确、高效地表征凝固过程体系各种微观结构组态的新方法，并深入准确地揭示金属熔体液-固相变过程微观结构转变特征及动力学行为是亟待解决的科学问题。

    本项目研究中采用理论模型和计算方法均比较成熟的分子动力学方法，对FCC、HCP和BCC等不同金属体系的凝固过程进行了模拟，借助于项目组建立起来的微观结构表征方法和团簇结构演化跟踪技术，对金属熔体液-固相变过程微观结构转变特征及动力学行为进行了深入研究，在如下五个方面取得了一些重要的科学发现和创新：

    (1) 建立了精确、高效地表征材料相变体系各种微观结构组态的新方法-团簇类型指数法（CTIM）。相比于当前常用的微观结构表征方法，此方法能够更为准确地区分结构相近的不同结构组态，以及晶粒和晶界原子，为计算材料研究提供了强有力的分析工具。

    (2) 从短程序到中程序不同空间尺度下，揭示了金属熔体液-固相变过程体系微观结构的转变特征。借助于CTIM对凝固过程体系微观结构进行了识别和分析，发现，金属熔体中存在大量不同结构类型的短程有序结构，液-固玻璃转变过程，二十面体短程序结构组态对玻璃转变起决定性作用；对于不存在明显化学序的金属玻璃体系中，二十面体中程序结构呈链状或树枝状，而且其尺寸分布呈现幻数序列。这些研究结果填补了当前对这液-固相变过程不同尺度上微观结构特征认识上的不足。

    (3) 揭示了金属熔体液-固相变初期，不同团簇结构之间的竞争和重构规律。通过跟踪金属熔体凝固过程原子团簇连续演化的动态过程，发现金属熔体在液-固相变初期，不但存在晶态团簇与非晶态团簇间的竞争，还存在稳定相团簇与亚稳相团簇之间的竞争；而且冷却速率显著影响各种团簇结构之间的竞争关系。这些研究结果弥补了当前实验上测定这些特性参数困难的不足。

    (4) 揭示了金属熔体液-固相变相变过程，原子团簇从晶胚→临界晶核→晶粒演化的微观动力学机理。通过跟踪研究原子团簇由晶胚连续演化为晶核的动态过程，发现金属熔体在结晶形核初期，二十面体原子团簇在α-驰豫阶段逐渐解体，同时具有BCC结构的潜在结晶核心逐步形成；晶胚团簇具有较为松散的堆积结构，而临界晶核具有紧密的堆积结构。这些研究结果表明了经典形核理论在理论假设上的不足。

    (5) 阐明了金属熔体液-固相变过程在结构、热力学和动力学之间的关联。通过分析金属熔体凝固过程体系不同结构类型原子团的热力学特性和动力学特性，发现Frank-Kasper多面体及其畸变结构具有较快的动力学特性，二十面体及其畸变结构具有较慢的动力学特性；液-固相变过程在结构、热力学和动力学上的液固转变温度并不完全相同，它们之间满足Odagaki关系。

    该项目的研究成果已在SCI检索期刊上发表学术论文32篇，其中8篇代表论文被SCI他引86次。投稿到Physical Chemistry Chemical Physics期刊的论文"Cooling rate dependence of solidification for liquid aluminium: a large-scale molecular dynamics simulation study"被审稿专家如是评价："本研究结果具有重要意义，揭示了凝固动态过程中实验上难以观察到的原子尺度结构特征"，该论文被Nature Communications、Chemical Reviews和Acta Materialia等国际一流期刊他引26次，受到了国内外同行专家的广泛关注和肯定。基于此项目研究成果的引申研究，2016年得到了陕西省自然科学基金面上项目的支持(编号：2016JM5055)，2017年得了国家自然科学基金面上项目的支持(编号：51771033)。