固固相變作為一種重要的物質行為，普遍存在于自然界中，如石墨-金剛石相變、鋼的馬氏體轉變、陶瓷相變、電荷密度波相變等。通常，固固相變可分為兩種類型：一類是位移型（馬氏體）相變，通過原子的短程位移而發生結構演變進而實現相變；另一類是重構型相變，伴隨化學鍵的斷裂和重構，在相變臨界點處表現出大的潛熱和熱滯現象。

與位移型固固相變相比，重構型相變因化學鍵斷裂而需要克服較大的自由能勢壘，常表現出緩慢的相變動力學。亞氧化鈦Ti₃O₅的 相與 相之間的轉變是一種典型的一階重構型固固相變，然而卻表現出反常的超快可逆動力學特性。相變過程可通過施加壓力—熱、壓力—光以及壓力—電流等外部條件實現超快可逆調控，有望在光學存儲、能量存儲和傳感器等領域獲得應用。但是，現有的實驗技術因缺乏足夠的空間和時間分辨率，很難捕捉到超快相變過程中的演化信息，而原子尺度模擬固固相變則需要大體系（超萬原子數）、長時間尺度（納秒級別）動力學的精確描述。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部機器學習團隊與西北工業大學、東北大學以及奧地利維也納大學研究者合作，發展了動態主動機器學習及矩張量勢函數模型，結合先進增強采樣技術，為亞氧化鈦Ti₃O₅體系成功開發了精度與效率兼顧的矩張量機器學習勢，既保持了傳統經驗力場高的計算效率，又兼具第一性原理高的計算精度。研究人員基于該機器學習勢，計算獲得了與實驗相符的溫度-壓力相圖；通過大規模、長時間尺度的原子模擬，揭示了亞氧化鈦Ti₃O₅的 相至 相的獨特逐層相變機制，即先在ab平面內二維形核并生長，然后由應變驅動發生沿c軸逐層轉變。這種面內形核、借助亞穩中間相的逐層面外擴展的多步相變動力學機制顯著降低了 轉變的相變能壘，是亞氧化鈦Ti₃O₅超快、可逆相變的關鍵。

相關結果以“Layer-by-layer phase transformation in Ti₃O₅ revealed by machine-learning molecular dynamics simulations”為題，于4月9日發表在Nature Communications期刊上【Nature Communications 15,3079 (2024)】。金屬所劉鳴鳳特別研究助理和王建韜博士研究生與西北工業大學胡俊偉博士研究生為共同第一作者；金屬所劉培濤研究員和西工大牛海洋教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、國家重點研發計劃、中國科學院R&D項目和院級人才項目的資助。

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圖1. 機器學習勢開發及基于巨分子動力學的亞氧化鈦相變模擬

圖2. 亞氧化鈦相變勢能面和相變亞穩中間相

圖3. 亞氧化鈦 - 相變的大尺度原子模擬揭示的逐層轉變機制

圖4. 亞氧化鈦 相變面內形核和長大的動力學機制