物理学系金属玻璃领域研究成果

李茂枝 研究组 供稿 2015-10-20

金属玻璃(metallic glasses)（又称非晶合金）是采用现代快速凝固冶金技术阻止金属合金熔体发生晶化而合成的一种新型非晶材料，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，在材料、工程、能源、国防和航空航天等领域显示出广阔的应用前景。然而，迄今为止，金属玻璃的原子排列本质仍然是一个谜，同时也是凝聚态物理和材料科学领域最基本、最有趣的问题之一。对于金属晶体，其微观原子结构可以采用现代微观结构分析和表征手段（如X射线衍射等）表征出来。然而，这些分析和表征手段对金属玻璃的结构分析却非常有限，因为不同的金属玻璃得到的几乎都是相似的弥散衍射花样和展宽的衍射特征峰（如图3所示），很难区分出不同金属玻璃微观结构的差别。实际上，不同金属玻璃的力学性能（如强度、韧性等）存在着很大的差异，不同金属玻璃的热稳定性和玻璃形成能力也大不相同，这些都意味着金属玻璃的微观原子结构是不同的。但是现有的结构表征技术和手段都是基于晶体材料发展起来的，常规的分析方法很难区分出不同金属玻璃的微观结构差别。那么，在这些展宽的衍射特征峰里是否隐含着金属玻璃原子排列的某种规律？金属玻璃的结构是否也像金属晶体那样遵循一个统一的规律呢？

李茂枝教授研究组与北京大学刘凯欣研究组和中科院物理所汪卫华研究组合作，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了更加详尽细致的分析后发现，在这些衍射特征峰背后隐含着金属玻璃中程序的结构信息，并发展了一种新的表征金属玻璃结构中程序的方法。他们发现在玻璃形成过程中金属玻璃遗传了部分晶体的球周期序，表明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分的增加，这些隐含序的种类随之增加（如图4所示）。他们还发现遗传不同球周期序列的隐含序之间会发生拓扑纠缠，这个发现为金属熔体冷却过程中结构阻挫的形成从而抑制金属熔体发生晶化，最终形成玻璃态提供了一个新的微观结构演化的物理图像。研究结果还表明，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4所示），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。该成果发表于《自然》杂志子刊《自然·通讯》上[Nature Communications 6, 6035 (2015)]。

图3 (a)金属玻璃的高分辨透射电子显微照片，插图为选区电子衍射花样

(b)不同金属玻璃体系的X射线和中子散射的结构因子        

图4 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)