新材料敲開非晶金屬玻璃的結(jié)構(gòu)之門

【中玻網(wǎng)】一直以來(lái)，在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)非常引人注目的科學(xué)謎團(tuán)，即非晶金屬玻璃中的原子結(jié)構(gòu)本質(zhì)，這阻礙了科學(xué)家對(duì)非晶材料性能的認(rèn)識(shí)，也延遲了科學(xué)家研發(fā)新型非晶材料的步伐。

日前，在國(guó)家自然科學(xué)設(shè)立資金項(xiàng)目和科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組和中國(guó)人民大學(xué)物理系教授李茂枝研究組、北京大學(xué)工學(xué)院教授劉凱欣研究組在該領(lǐng)域進(jìn)行合作，發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃衍射數(shù)據(jù)當(dāng)中所隱含的結(jié)構(gòu)上的拓?fù)湫�，終于揭開了這一謎團(tuán)的研究序幕。而他們的成果也被《自然》雜志子刊《自然—通訊》所接收發(fā)表。

邁出關(guān)鍵性一步

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主P.W.Anderson曾在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章表示，玻璃及玻璃轉(zhuǎn)變的本質(zhì)，可能是固體理論當(dāng)中較為有趣、較深刻且尚未解決的問(wèn)題之一。

金屬玻璃，又稱非晶態(tài)合金，是材料科學(xué)領(lǐng)域中的“后起之秀”。自從上世紀(jì)60年代美國(guó)加州理工大學(xué)教授Duwez靠前次在實(shí)驗(yàn)室將其制備出后，一直受到各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。它也成為研究玻璃轉(zhuǎn)變及非晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型體系。

此外，金屬玻璃的出現(xiàn)也為材料學(xué)界帶來(lái)了一座“金礦”。

“這個(gè)材料應(yīng)用得比較廣，在我國(guó)有將近1000億元的市場(chǎng)。”汪衛(wèi)華在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，塊體金屬玻璃這類材料應(yīng)用前景較廣，可應(yīng)用于材料、工程、能源、國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域。比如變壓器里面的鐵芯，以前用的都是硅鋼，現(xiàn)在則主推使用這類材料，因?yàn)樗纳a(chǎn)過(guò)程具有節(jié)約能源、噪音小、降低成本等優(yōu)點(diǎn);此外，塊體金屬玻璃是新一代穿甲彈的備選材料。

但是由于科學(xué)家未能掌握其結(jié)構(gòu)的特征，不知道其原子的排列規(guī)律這成為長(zhǎng)期以來(lái)這類材料發(fā)展的瓶頸。

李茂枝、汪衛(wèi)華及其合作者經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間，基于大量數(shù)據(jù)分析對(duì)比，加上計(jì)算機(jī)模擬等方法發(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(jié)構(gòu)信息。

“基于本領(lǐng)域科學(xué)家們大量的前期科研工作，在前人科研成果的基礎(chǔ)上，我們又往前邁出了關(guān)鍵的一步。”北京大學(xué)工學(xué)院博士武振偉說(shuō)，該研究成果同時(shí)為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)和理解非晶材料衍射數(shù)據(jù)所隱含的微觀結(jié)構(gòu)信息提供了新的分析方法和思路。

在中國(guó)人民大學(xué)物理系李茂枝看來(lái)，他們其實(shí)是在研究非晶結(jié)構(gòu)內(nèi)在的根源。“這樣的發(fā)現(xiàn)，使得我們可以從新的角度認(rèn)識(shí)金屬玻璃的結(jié)構(gòu)特征。”

從無(wú)序到有序

人類文明的進(jìn)步與繁榮，是與認(rèn)識(shí)和使用材料的歷史緊密聯(lián)系在一起的，正因如此，早期歷史被分為石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。

目前非晶材料并不能被人類所完全掌握和充分利用，因?yàn)槠湟淮筇攸c(diǎn)是原子排列是混亂的、無(wú)序的。金屬玻璃也是如此，是屬于無(wú)序材料中的一種。

對(duì)于金屬晶體，其微觀原子結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)分析和表征手段，如X射線衍射或透射電鏡等技術(shù)表征出來(lái)。

然而，這些分析和表征手段對(duì)金屬玻璃的結(jié)構(gòu)分析卻非常有限。“不同的金屬玻璃得到的幾乎都是相似的彌散衍射花樣和展寬的衍射特征峰，常規(guī)的分析方法很難區(qū)分出不同金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的差別。”武振偉表示。

近年來(lái)，球差電鏡技術(shù)的發(fā)展，使他們對(duì)金屬玻璃的短程序有了比較清晰深刻的認(rèn)識(shí)。

隨后，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃衍射數(shù)據(jù)當(dāng)中所隱含的結(jié)構(gòu)上的中程拓?fù)湫颍@一序列與晶體中的球周期序有著緊密的聯(lián)系。

“從晶體到非晶，我們從兩者之間的深刻聯(lián)系找到了解決問(wèn)題的打破口。”武振偉介紹說(shuō)，從無(wú)序中發(fā)現(xiàn)有序，是一個(gè)避繁就簡(jiǎn)的過(guò)程，當(dāng)人們?cè)噲D站在不同的尺度來(lái)理解非晶的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須把關(guān)注點(diǎn)放在比較重要的主要矛盾上，而忽略掉一些可能帶來(lái)干擾因素的次要矛盾。

“以前，我們一直是從無(wú)序的角度出發(fā)去認(rèn)識(shí)這類材料，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這類非晶材料其實(shí)和晶體的序是有關(guān)聯(lián)的，這樣我們就可以從晶體角度去認(rèn)識(shí)玻璃。”李茂枝說(shuō)。

開發(fā)新材料是較終目標(biāo)

金屬玻璃是采用現(xiàn)代快速凝固冶金技術(shù)阻止金屬合金熔體的晶化而合成的一種新型非晶材料。它具有許多優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，在短短幾十年的探索期間，便已展現(xiàn)出異乎尋常的應(yīng)用潛力。

需要指出的是，由于目前的研究階段尚且處于基礎(chǔ)研究，并未能夠完全掌握其中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。使得這類材料受制于尺寸、不穩(wěn)定、比較脆等問(wèn)題。

“只有完全破解其結(jié)構(gòu)信息，掌握其結(jié)構(gòu)本質(zhì)，才能建立明確的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。這樣就可以根據(jù)它的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控它的宏觀性能，才有可能設(shè)計(jì)出更多新型高性能的非晶材料。”李茂枝強(qiáng)調(diào)，調(diào)控這類非晶材料才是較終目標(biāo)。

材料的結(jié)構(gòu)決定它的性能。比如“碳”，石墨、石墨烯、鉛筆芯、金剛石都屬于“碳”，但是表現(xiàn)出來(lái)的性能卻完全不一樣，實(shí)際上就是這些材料里面的結(jié)構(gòu)改變了。

據(jù)透露，正是深知非晶金屬玻璃的重要性和現(xiàn)實(shí)意義，國(guó)家自然科學(xué)設(shè)立資金委把金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系研究作為了今年一個(gè)要點(diǎn)支持方向，竭力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，希望能夠建立這種具有較大市場(chǎng)推廣價(jià)值的材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并且可以較終調(diào)控它，以開發(fā)出新的材料。