中国人民大学课题研究组金属玻璃研究取得进展

【中玻网】金属玻璃指具有非晶态结构的金属，兼有金属和玻璃的特性，具有许多优异的力学、物理和化学性能，有望成为一种新的金属材料。
　　
　　与所有非晶态材料一样，金属玻璃中的原子排列不具有长程有序性。但是，金属玻璃中的原子可能存在短程序甚至中程序，而其排列本质仍然是凝聚态物理和材料科学领域较引人注目的科学谜团之一。遗憾的是，现有的结构表征手段多是基于晶体材料发展起来的，很难辨别金属玻璃微观结构之中的细微差别，也无法解释结构相近的金属玻璃之间性能差异巨大的原因。
　　
　　较近，Nature杂志子刊Nature Communications发表了中国人民大学物理系李茂枝教授研究组与北京大学工学院刘凯欣教授研究组、中科院物理所汪卫华研究组合作的研究工作(Nature Communications 6,6035 (2015))，给出了新的见解。李茂枝教授及其合作者采用分子动力学模拟方法，通过对几个具有代表性的金属玻璃结构的衍射特征峰进行更加详尽细致的分析后发现，非晶结构遗传了部分晶体结构中原子排列的球周期序列。对于合金而言，所遗传的球周期序列之间还会发生拓扑纠缠。这一发现为金属熔体冷却过程中舒缓金属熔体发生晶化并较终形成玻璃态提供了一个新的微观结构演化的物理图像。
　　
　　李茂枝及其合作者发现，金属玻璃的衍射特征峰背后隐含着金属玻璃中程序的结构信息。对于单质金属玻璃而言，隐含的中程序与相应的金属晶体中的球周期序紧密相关，表明在玻璃形成过程中单质金属玻璃遗传了部分晶体的球周期序，这也意味着金属玻璃与金属晶体之间存在着非凡的结构同源性。随着金属玻璃体系中化学组元的增加，这些中程尺度上隐含序的种类会随之增加。研究人员进一步发现，这些隐含拓扑序无一例外地遗传了部分面心立方或体心立方晶格结构的球周期序列（如图所示），并且遗传不同球周期序列的隐含拓扑序之间会发生拓扑纠缠。研究结果表明，金属玻璃中隐含序拓扑纠缠的强烈与否，与该金属合金体系的玻璃形成能力之间存在明显的对应关系（如图所示），这为实验上寻找玻璃形成能力强的金属合金体系提供了新的理论思路。该研究成果也为衡量金属合金玻璃形成能力强弱的经验原则---混乱原则提供了微观结构的理解，同时为进一步深入认识和理解非晶材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析方法和思路。
　　
　　该项研究工作得到了国家自然科学设立资金项目(Nos.51271197,51271195,11028206,10972010,11332002)和科技部973项目的资助。

　　面心立方（fcc）和体心立方（bcc）晶格结构的标准结构谱。红线和蓝线分别代表标准谱中fcc和bcc晶格结构中原子间距离的特征值。对于金属玻璃而言，部分对关联函数的特征峰遗传了标准谱里的特征值。可以看出，金属玻璃的隐含拓扑序是通过从标准晶体结构谱里遗传一个或者多个特征值序列而形成的。通常随着化学成分的增多，更多的隐含拓扑序在玻璃形成过程中经过遗传而形成。遗传越多的隐含序意味着该金属合金体系的玻璃形成能力越强。(注：GFA:glass-forming ability)