中國人民大學課題研究組金屬玻璃研究取得進展

【中玻網(wǎng)】金屬玻璃指具有非晶態(tài)結構的金屬，兼有金屬和玻璃的特性，具有許多優(yōu)異的力學、物理和化學性能，有望成為一種新的金屬材料。
　　
　　與所有非晶態(tài)材料一樣，金屬玻璃中的原子排列不具有長程有序性。但是，金屬玻璃中的原子可能存在短程序甚至中程序，而其排列本質仍然是凝聚態(tài)物理和材料科學領域較引人注目的科學謎團之一。遺憾的是，現(xiàn)有的結構表征手段多是基于晶體材料發(fā)展起來的，很難辨別金屬玻璃微觀結構之中的細微差別，也無法解釋結構相近的金屬玻璃之間性能差異巨大的原因。
　　
　　較近，Nature雜志子刊Nature Communications發(fā)表了中國人民大學物理系李茂枝教授研究組與北京大學工學院劉凱欣教授研究組、中科院物理所汪衛(wèi)華研究組合作的研究工作(Nature Communications 6,6035 (2015))，給出了新的見解。李茂枝教授及其合作者采用分子動力學模擬方法，通過對幾個具有代表性的金屬玻璃結構的衍射特征峰進行更加詳盡細致的分析后發(fā)現(xiàn)，非晶結構遺傳了部分晶體結構中原子排列的球周期序列。對于合金而言，所遺傳的球周期序列之間還會發(fā)生拓撲糾纏。這一發(fā)現(xiàn)為金屬熔體冷卻過程中舒緩金屬熔體發(fā)生晶化并較終形成玻璃態(tài)提供了一個新的微觀結構演化的物理圖像。
　　
　　李茂枝及其合作者發(fā)現(xiàn)，金屬玻璃的衍射特征峰背后隱含著金屬玻璃中程序的結構信息。對于單質金屬玻璃而言，隱含的中程序與相應的金屬晶體中的球周期序緊密相關，表明在玻璃形成過程中單質金屬玻璃遺傳了部分晶體的球周期序，這也意味著金屬玻璃與金屬晶體之間存在著非凡的結構同源性。隨著金屬玻璃體系中化學組元的增加，這些中程尺度上隱含序的種類會隨之增加。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，這些隱含拓撲序無一例外地遺傳了部分面心立方或體心立方晶格結構的球周期序列（如圖所示），并且遺傳不同球周期序列的隱含拓撲序之間會發(fā)生拓撲糾纏。研究結果表明，金屬玻璃中隱含序拓撲糾纏的強烈與否，與該金屬合金體系的玻璃形成能力之間存在明顯的對應關系（如圖所示），這為實驗上尋找玻璃形成能力強的金屬合金體系提供了新的理論思路。該研究成果也為衡量金屬合金玻璃形成能力強弱的經(jīng)驗原則---混亂原則提供了微觀結構的理解，同時為進一步深入認識和理解非晶材料衍射數(shù)據(jù)所隱含的微觀結構信息提供了新的分析方法和思路。
　　
　　該項研究工作得到了國家自然科學設立資金項目(Nos.51271197,51271195,11028206,10972010,11332002)和科技部973項目的資助。

　　面心立方（fcc）和體心立方（bcc）晶格結構的標準結構譜。紅線和藍線分別代表標準譜中fcc和bcc晶格結構中原子間距離的特征值。對于金屬玻璃而言，部分對關聯(lián)函數(shù)的特征峰遺傳了標準譜里的特征值。可以看出，金屬玻璃的隱含拓撲序是通過從標準晶體結構譜里遺傳一個或者多個特征值序列而形成的。通常隨著化學成分的增多，更多的隱含拓撲序在玻璃形成過程中經(jīng)過遺傳而形成。遺傳越多的隱含序意味著該金屬合金體系的玻璃形成能力越強。(注：GFA:glass-forming ability)