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中国科学家发现非晶物质流动新模式
来源: 科技日报    时间: 2017-08-24 10:21

  原子随机密堆形成金属玻璃,其表现为固体,但内部存在着高度活跃的类似液体的“流变单元”。

  玻璃工艺依靠流动来成型,可以制备几乎任何复杂漂亮的形状。(图片由受访者提供)

玻璃工艺。

  新知

  对于大多数人来说,玻璃就是用来制作窗户和酒瓶的一种透明材料而已。它有着像金属、晶体以及数不胜数的其他物质所具有的固体形态,同时又和水、酒精等许多液体一样晶莹剔透。它既可以脆弱得不堪一击,又可以坚韧无比。从表面上看,玻璃更像固体,但内部原子排列却更接近液体。

  但是,如果我们想要在室温下探测到氧化硅玻璃的流动,可能需要等待的时间会和宇宙的寿命一样长。中国科学院物理研究所汪卫华研究组转而关注金属玻璃(非晶合金),因为其微观流动的时间尺度更适合实验观察。

  金属玻璃弛豫过程分两步

  玻璃是一类亚稳态的材料,组成玻璃的粒子会通过缓慢运动,使得材料向能量更稳定的状态过渡。这些粒子的运动形式称为弛豫。为了说明弛豫现象,汪卫华院士做了一个形象的比喻:“比如在一个极拥挤的公共汽车上,刚挤上车,觉得很挤。这时系统处在亚稳态。车开动以后,乘客通过微调位置,慢慢会变得宽松一些。整个系统变的更稳定。乘客微调位置的运动相当于原子的弛豫。”

  最近, 汪卫华研究组博士生罗鹏在汪卫华院士、闻平副研究员和白海洋研究员的指导下,通过向金属玻璃施加一个微小的力,比如拉长金属玻璃,然后在保证玻璃长度不变的同时探测这个力随着时间的衰减,他们发现向玻璃施加的力通过两个不同的过程来释放,而非以往认为的简单的单一过程。

  “研究发现,玻璃态的弛豫过程分为两步:首先发生快模式,对应于原子尺度内应力驱动的类弹道运动,此时系统被限制在势能阱中;随后体系越过能量势垒,发生更大尺度下动力学不均匀的原子重排,”汪卫华说,“第一步好像要从极其拥挤的公共汽车上下车的乘客,神奇地跳过了紧邻自己的人群,并没有让紧邻自己的其他人让路;第二步就像我们平时下公交一样,大家一起缓慢挪动。”

  该结果表明,玻璃内部原子的缓慢流动并不简单,存在着远比我们想象丰富的内在特性,只不过这些现象被其长时间尺度所隐藏而难以发现。

  据了解,金属玻璃是一种具有无序原子结构的合金材料。通常通过快速冷却高温合金液体得到。这种金属结构相对于原子排列有序的晶体而言处于一种亚稳定的非平衡状态,从而会自发地发生非常缓慢的微观结构演化,也就是我们通常说的老化。金属玻璃的强度和抗腐蚀能力远远超过同成分的原子排列有序的晶态金属,这使得它们具有特殊应用价值而被广泛关注。

  流动新模式关乎材料稳定性

  研究结果发表以后,美国物理学会官网上发表了意大利比萨大学西蒙·卡帕奇奥利教授和罗马大学詹卡洛·洛克教授联合撰写的题为“金属玻璃的弛豫过程分为两步”的点评文章,他们认为两步弛豫现象的发现促进了非晶弛豫和老化之间关系这一凝聚态物理难题的解决,不但能帮助我们更加全面地理解知之甚少的非平衡玻璃态动力学问题,而且有助于设计具有丰富功能特性和高稳定性的玻璃材料。

  西蒙·卡帕奇奥利和詹卡洛·洛克指出,汪卫华团队的工作表明金属玻璃实际上提供了一个在实验室时间尺度上研究玻璃如何恢复平衡态的非常有用的模型体系。硬质玻璃在变形条件下具有发生松弛的趋势,这一性质可能会影响材料的使用。而他们的发现使得研究者认清这一过程,从而有助于指导如何提高其功能特性和稳定性。该发现表明,在短时间尺度内玻璃中一直活跃着某种微观运动模式,而材料在使用过程中必须考虑这一模式以确保其稳定的性能。陆成宽

(责任编辑:魏晓航)
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