燕大学者提出预测材料硬度的微观理论

　　3、"理解它不需深奥理论"化学键理论取得新进展

　　燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室建立的硬度微观理论公式采用化学键的键长、键密度和键的离子性来度量硬度。在对这一理论的进一步研究中，科研人员发现，关于离子性的真实情况与传统经典理论的表述并不一致。

　　离子性是物理、化学和材料科学中通用的一个重要的基本概念，它是电荷在空间分布对称程度的度量。20世纪30年代，美国科学家鲍林(L·Pauling，1954年诺贝尔化学奖得主)基于两种原子的电负性差提出了第一个离子性标度。20世纪60年代美国科学家菲利普斯(J·C·Phillips)基于化学键的介电理论又提出了一个新的并被广泛采用的离子性标度。根据这些经典的化学键理论，离子性只存在于由不同原子构成的化学键当中，在这些具有离子性的化学键上伴随着电荷转移发生。在该理论框架内，同种原子形成的化学键并不表现出离子性。

　　科研人员在应用硬度微观理论模型计算含有B12二十面体的富硼固体硬度时发现：当他们像经典化学键理论那样将B12二十面体中B-B键的离子性取为0时，富硼固体的硬度比实验值高20～44%。为此他们猜测B12二十面体中的B-B键有可能具有离子性。第一性原理计算表明：B12二十面体的几何对称破缺造成了二十面体中B-B键的电荷分布的不对称，从而导致了B-B键的离子性。为了表征这种离子性，他们基于化学键的布居数定义了一个新的离子性标度，并发现了该标度与经典的菲利普斯标度的关系。采用这种离子性计算富硼固体的硬度发现计算值与实验值非常吻合。

　　他们还在含有B12二十面体的富硼固体中发现B-B键表现出不同程度离子性这一新现象。基于化学键的布居数定义了一个新的离子性标度，该标度与菲利普斯标度一致，而且是一个普适的标度。这项成果打破了“同种原子形成的化学键不存在离子性”的传统观念，提出的普适的离子性标度是对经典化学键理论的发展和补充，对描述碳纳米管、C60和同种原子构成的团簇中化学键的离子性提供了实用的工具。