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以“静”止“动”:非晶合金玻璃转变机制研究新进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-07  浏览次数:3095
     非晶合金,又称金属玻璃,是典型的由金属键主导的原子玻璃体系,其相对简单的微观结构为探索非晶态相关的基本物理问题提供了优良模型,非晶合金无序结构所带来的优异力学、物理和化学性能,也为其在各类新材料领域的应用提供了物性基础。因而,对非晶合金的研究不仅具备重要的科学意义,也具有重要的应用价值。与其他玻璃的形成一样,非晶合金是通过对高温合金熔体的快速冷却来抑制结晶过程,并在一定的温度时发生玻璃转变(glass transition)而形成。玻璃转变是与非晶合金的形成、微观结构与宏观物性等密切相关的物理过程,但其本质并不能通过传统的热力学相变理论来描述,是当前凝聚态物理和材料科学所面临的巨大挑战之一。传统意义上的热力学相变一般都会对应着结构序参量的明显变化,但合金熔体在快速冷却过程中其动力学会急剧变慢(粘度和结构弛豫时间在几十度的温区内增加十几个量级),但通过传统衍射方法测得的微观结构特征却变化微弱。如何理解过冷液体动力学变慢,乃至玻璃转变的与微观结构相关的起源是非晶合金领域当前亟需解决的核心问题之一。近年来,人们在对非晶合金过冷液体的研究中发现,随温度的降低,其动力学行为变慢的同时也伴随着特殊局域结构特征(短程序)的演化,进而尝试构建过冷合金熔体中结构短程序与慢动力学之间的耦合关系,并将其理解为慢动力学的结构起源。

       北京计算科学研究中心管鹏飞研究员与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心汪卫华研究组博士生胡远超,香港城市大学杨勇教授及新加坡南洋理工大学博士后李艳伟合作,发现了受限非晶合金过冷液体中慢动力学与其结构短程序(特征原子团簇)特征之间的退耦合;构建了慢动力学与原子构型相似度之间的耦合关系,并给出了由该相似度出发定义的静态关联长度在无论是受限、还是非受限体系中对慢动力学的普适描述,揭示了该静态关联长度在玻璃转变中的主导作用。

       该研究中,通过对受限和非受限非晶合金过冷液体的计算模拟研究发现,在受限过冷液体中,其结构弛豫随着受限程度的增加而变慢,进而实现玻璃转变,但其几何结构短程序的特征(如二十面体等团簇的含量)却基本保持不变(Fig.1);揭示了在受限体系中,慢动力学和几何结构短程序之间并未表现出其在非受限体系中所呈现的耦合关系,表明几何结构短程序(如二十面体团簇等)并不能作为非晶合金体系中玻璃转变的微观结构起源。这一结论也引出了关系到玻璃转变结构起源的核心问题:能否找到与微观结构相关的静态参量来统一地描述受限和非受限非晶合金过冷液体中的慢动力学?

       基于受限体系在结构弛豫过程中表现出的构型关联,研究了不同条件下构型之间相似度随时间的演化,发现了本征构型相似度与结构弛豫弛豫时间之间的耦合关系(Figure.2a);由该相似度出发,进一步定义了静态关联长度——反映了给定过冷液体在结构弛豫过程中所能经历的无序亚稳状态(amorphous metastable states)的数目或平均空间尺寸,发现该静态关联长度是控制受限体系中慢动力学的关键因素(Fig.2b)。根据有限尺寸受限分析(finite-size scaling analysis),进一步发现该静态关联长度也控制着非受限非晶合金过冷液体的慢动力学(Figure.3),说明基于微观结构定义的静态参量——静态关联长度可以统一地描述受限和非受限非晶合金过冷液体中的慢动力学。这一结果表明控制非晶合金过冷液体慢动力学,乃至玻璃转变的结构因素并不是非晶几何结构的短程序,而是反映构型间空间关联的静态关联长度。

       此外,基于动力学非均匀性定义的关联长度与静态关联长度之间的差异,表明过冷液体中的动力学非均匀性可能并不是其慢动力学的根源,而是如影随形的本质特征(Fig.3)。该静态关联长度的相关性质可以从无序一级相变理论(random first-order transition theory)出发得到很好地理解,表明非晶合金玻璃转变也具有一定的热力学基础,并非是一个纯粹的动力学过程。该研究结果为更全面地认识非晶合金的几何结构序、更深入地理解玻璃转变的本质提供了全新的视角,对推动非晶合金的实验研究及产业发展具有一定的指导意义。

       静态关联长度的提出为理解非晶合金玻璃转变结构相关的起源提供了一缕曙光,但是否存在控制慢动力学乃至玻璃转变的纯几何结构序参量仍然是值得进一步深入研究的重要科学问题。此外,目前在胶体和高分子体系中,人们已经可以通过实验手段来测量相应构型空间关联,而对金属玻璃形成液体,很难直接观测原子尺度上的动力学行为,因而新的实验表征技术和方法的开发是当前非晶合金研究的一个重要方向。



 

Figure 1 受限非晶合金过冷液体慢动力学特征与结构短程序解耦
 
Figure 2 受限非晶合金过冷液体的慢动力学与静态关联长度之间的耦合关系

Figure 3非受限非晶合金过冷液体的慢动力学与静态关联长度之间的耦合关系,综合Figure 2和3,表明受限和非受限体系的动力学行为可以由静态关联长度统一地描述。
 
       该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京计算科学研究中心、中科院的资助。

       成果发表在2018年《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,“Configuration correlation governs slow dynamics of supercooled metallic liquids”,论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1802300115

       中国科学院物理研究所胡远超、北京计算科学研究中心管鹏飞供稿,非晶中国整理编辑。


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