钴-镁固液界面磁效应的显著影响及其在凝固过程中的作用机制

本研究通过第一性原理分子动力学模拟揭示了铁磁性钴(Co)与液态镁(Mg)界面处微弱的磁交换作用(约0.02 μB/Mg原子)却能显著改变界面结构的现象。研究发现磁性使固液界面距离增加10%，降低液态层有序度并改变其动力学特性，同时减少界面电子转移。该成果为理解磁性在异质固液界面中的作用提供了新视角，对调控凝固过程具有重要指导意义。

　　

在材料科学领域，理解固液界面行为对控制金属凝固过程至关重要。传统研究多关注非磁性体系的界面现象，而磁性元素对界面结构的调控机制长期存在认知空白。特别是当铁磁性材料（如钴）与轻质金属（如镁）形成界面时，微弱的磁相互作用是否会影响界面原子排列和电子结构，这一问题直接关系到新型磁性功能材料的设计开发。

上海大学（根据资助项目推断）的研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，采用第一性原理分子动力学(first-principles molecular dynamics)方法，首次系统研究了铁磁性钴与液态镁的界面行为。研究发现尽管钴镁界面的磁交换作用较弱（诱导的镁原子磁矩仅0.02 μ_B），但磁性效应使固液界面距离显著增加10%，同时降低近界面液态层的结构有序度。这种磁致界面重构现象伴随着电子转移的减少和界面能差的增大，为理解磁性界面在凝固初期的异质形核作用提供了理论依据。

关键技术方法包括：基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学模拟，用于解析界面原子尺度动力学；磁矩分布分析量化界面磁耦合强度；电子局域函数计算揭示界面电荷转移特征。

【研究结果】

1. 磁交换作用特征：界面处每个镁原子仅诱导产生0.02 μ_B的磁矩，证实钴镁为弱磁耦合体系。
2. 界面结构变化：磁性使Co-Mg固液界面距离从1.9 ?增至2.1 ?，液态层径向分布函数峰宽增加15%。
3. 动力学影响：磁性界面处镁原子的扩散系数提高20%，表明磁效应降低了界面约束力。
4. 电子结构调控：磁性Co基底使界面处电子转移量减少30%，形成更高的能量势垒。

研究结论强调，即使微弱的磁相互作用也能通过改变界面原子堆垛和电子分布来显著影响固液界面行为。这种磁致界面重构效应可能通过两种途径影响凝固过程：一是增大的界面距离会改变异质形核的润湿特性；二是降低的液态层有序度可能影响晶核形成能垒。该发现为开发磁控凝固技术提供了理论基础，特别是在镁基磁性功能材料的制备中，可通过调控界面磁性来优化材料性能。

讨论部分指出，该研究建立的磁性界面分析框架可扩展至其他铁磁/非磁体系，未来需要结合原位实验验证模拟预测。资助信息显示该工作获得国家重点研发计划(2024YFB3713803)和国家自然科学基金重点项目(52274386)支持，体现了其在材料基因工程领域的战略价值。