玻璃，已經在人類社會生活中應用已久，但對其是如何形成的，即所謂的玻璃化過程的了解，仍是材料科學中的一個主要挑戰。近日，西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心的Daniele Cangialosi & Isabella Gallino等研究者，通過採用快速掃描量熱法研究了玻璃化動力學，從極限假設溫度和原子遷移率的角度研究了基於Au塊狀金屬玻璃成型的α-弛豫過程。相關論文以題為「Vitrification decoupling from α-relaxation in a metallic glass」於04月24日發表在Science Advances上。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay1454
諸如粘性液體和膠體懸浮液等一系列不同的材料，都可以在非平衡狀態下凝固，然而這種狀態目前還沒有被完全了解。這一過程被稱為玻璃化轉變或玻璃化，在過去的幾十年裡一直是一個非常重要的話題，也是凝聚態物理中最引人入勝但仍未解決的問題之一。溫度降低通常是轉變過程中觸發粘性液體的參數，而斂集係數或等待時間對軟玻璃材料起同樣的作用。
其中一個的重要問題，是否在粘性液體中發生玻璃化（也就是，從亞穩平衡的過冷液體到非平衡玻璃的轉變）和去玻璃化（通常發生在玻璃化轉變過程中的加熱玻璃階段）以及是否只與主要結構弛豫過程有關，即α-弛豫過程，是幾個結構單元的協同運動還是其他原子的運動起了作用。傳統的研究基於各種性質的玻璃的實驗證據, 表明了玻璃化轉變溫度對冷卻速率的依賴關係表現出了與粘度對溫度或結構α-弛豫時間τ的依賴性相同的特性。在所謂的動態脆弱液體的情況下，在溫度大約是量熱玻璃化轉變溫度的兩倍時，平衡粘度和τ開始形成對超阿侖尼烏斯溫度的依賴關係。
與聚合物和分子體系不同，大塊金屬玻璃(BMGs)通常被認為是研究玻璃轉變過程的候選模型，因為它們沒有任何可能影響其玻璃化的反應或分子內運動。它們是典型的多組份合金，具有較大的尺寸失配和組分間的多相的化學親和力。
通過對金屬玻璃的觀察，突出了它們的多組分性質應該如何反映多相的動態行為，並暗示了這一點：除了α-弛豫外，還有多種不同的原子運動，表現出不同的時間尺度。示蹤擴散實驗和BMGs上的核磁共振(NMR)顯示，這些原子運動可能與α-弛豫完全解耦。此外，即使在探索宏觀動力學的實驗中，也可以證明原子運動中存在多種多相弛豫現象，比如檢測應力衰變，以及在分子動力學模擬中顯示了二次弛豫的結構來源。
在此，研究者證明了在標準條件下，多組分大塊金屬玻璃Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 可以顯示玻璃化動力學的多相性，即沒有任何幾何限制或延長退火。以上結論是基於兩項詳盡的研究，即通過快速掃描量熱法(FSC)，一種是測定玻璃化動力學，另一種是在較寬的時間和溫度範圍內探測Au-基BMG的原子遷移率。前者的特徵是極限假設溫度，Tf，以一定速率冷卻後形成的玻璃的溫度將達到平衡狀態。通過完全獨立於Tf的階躍響應分析，FSC通過複合物-特定熱的溫度和頻率依賴性來傳遞原子遷移率的信息。研究發現玻璃化動力學的冷卻速率依賴關係，由Tf來鑑別，可從弛豫對溫度的依賴中解耦出來。特別是，與弛豫相比，前者對溫度的依賴性更弱。這一結果表明，可以通過改變製備條件來調節玻璃的Tf，例如，玻璃態的冷卻速率或退火時間，比單獨的α-過程所允許的範圍要大得多。
圖1 扭轉比熱與溫度的函數關係以及機械順從性和頻率關係
圖2Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3在不同溫度下的熱流率
圖3 通過對Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3玻璃的FSC，提取的弛豫時間
綜上所述，利用FSC，研究者對動態玻璃轉變溫度，金屬玻璃之前的α-弛豫，以及冷卻過程中玻璃化動力學的極限假設溫度Tf分別進行了表徵。最後，需要指出的是，雖然該結果只適用於單一的金屬玻璃，但不同性質的金屬玻璃和玻璃成型存在著不同的弛豫機制。但所觀察到的以合適速度解耦可能仍然是一個懸而未決的問題，因此它將對科學產生巨大影響，參與其過程，促進其發展。（文：水生）
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