科學網—敲開非晶金屬玻璃的結構之門

2020-11-23 科學網
我國科學家在非晶中的隱含拓撲序研究獲進展
敲開非晶金屬玻璃的結構之門

 

■本報見習記者 張晴丹 記者 彭科峰

一直以來，在凝聚態物理和材料科學領域有一個非常引人注目的科學謎團，即非晶金屬玻璃中的原子結構本質，這阻礙了科學家對非晶材料性能的認識，也延遲了科學家研發新型非晶材料的步伐。

日前，在國家自然科學基金項目和科技部「973」計劃項目的資助下，中國科學院物理研究所汪衛華研究組和中國人民大學物理系教授李茂枝研究組、北京大學工學院教授劉凱欣研究組在該領域進行合作，發現了金屬玻璃衍射數據當中所隱含的結構上的拓撲序，終於揭開了這一謎團的研究序幕。而他們的成果也被《自然》雜誌子刊《自然—通訊》所接收發表。

邁出關鍵性一步

諾貝爾物理學獎得主P.W.Anderson曾在《科學》雜誌發表文章表示，玻璃及玻璃轉變的本質，可能是固體理論當中最為有趣、最深刻且尚未解決的問題之一。

金屬玻璃，又稱非晶態合金，是材料科學領域中的「後起之秀」。自從上世紀60年代美國加州理工大學教授Duwez第一次在實驗室將其製備出後，一直受到各個領域科學家的廣泛關注。它也成為研究玻璃轉變及非晶態物質結構的模型體系。

此外，金屬玻璃的出現也為材料學界帶來了一座「金礦」。

「這個材料應用得比較廣，在我國有將近1000億元的市場。」汪衛華在接受《中國科學報》記者採訪時表示，塊體金屬玻璃這類材料應用前景極廣，可應用於材料、工程、能源、國防和航空航天等領域。比如變壓器裡面的鐵芯，以前用的都是矽鋼，現在則主推使用這類材料，因為它的生產過程具有節約能源、噪音小、降低成本等優點；此外，塊體金屬玻璃是新一代穿甲彈的備選材料。

但是由於科學家未能掌握其結構的特徵，不知道其原子的排列規律這成為長期以來這類材料發展的瓶頸。

李茂枝、汪衛華及其合作者經過近兩年時間，基於大量數據分析對比，加上計算機模擬等方法發現，金屬玻璃的衍射特徵峰背後隱含著金屬玻璃中程序的結構信息。

「基於本領域科學家們大量的前期科研工作，在前人優秀科研成果的基礎上，我們又往前邁出了關鍵的一步。」北京大學工學院博士武振偉說，該研究成果同時為進一步深入認識和理解非晶材料衍射數據所隱含的微觀結構信息提供了新的分析方法和思路。

在中國人民大學物理系李茂枝看來，他們其實是在研究非晶結構內在的根源。「這樣的發現，使得我們可以從新的角度認識金屬玻璃的結構特徵。」

從無序到有序

人類文明的進步與繁榮，是與認識和使用材料的歷史緊密聯繫在一起的，正因如此，早期歷史被分為石器時代、銅器時代和鐵器時代。

目前非晶材料並不能被人類所完全掌握和充分利用，因為其一大特點是原子排列是混亂的、無序的。金屬玻璃也是如此，是屬於無序材料中的一種。

「在研究金屬玻璃時，我們遇到的最重要的問題，就是如何去發現序並描述它的結構。」汪衛華說。

對於金屬晶體，其微觀原子結構可以採用現代微觀結構分析和表徵手段，如X射線衍射或透射電鏡等技術表徵出來。

然而，這些分析和表徵手段對金屬玻璃的結構分析卻非常有限。「不同的金屬玻璃得到的幾乎都是相似的彌散衍射花樣和展寬的衍射特徵峰，常規的分析方法很難區分出不同金屬玻璃微觀結構的差別。」武振偉表示。

近年來，球差電鏡技術的發展，使他們對金屬玻璃的短程序有了比較清晰深刻的認識。

隨後，該研究團隊發現了金屬玻璃衍射數據當中所隱含的結構上的中程拓撲序，這一序列與晶體中的球周期序有著緊密的聯繫。

「從晶體到非晶，我們從兩者之間的深刻聯繫找到了解決問題的突破口。」武振偉介紹說，從無序中發現有序，是一個避繁就簡的過程，當人們試圖站在不同的尺度來理解非晶的結構時，必須把關注點放在比較重要的主要矛盾上，而忽略掉一些可能帶來幹擾因素的次要矛盾。

「以前，我們一直是從無序的角度出發去認識這類材料，現在發現這類非晶材料其實和晶體的序是有關聯的，這樣我們就可以從晶體角度去認識玻璃。」李茂枝說。

開發新材料是最終目標

金屬玻璃是採用現代快速凝固冶金技術阻止金屬合金熔體的晶化而合成的一種新型非晶材料。它具有許多優異的力學、物理和化學性能，在短短幾十年的探索期間，便已展現出異乎尋常的應用潛力。

需要指出的是，由於目前的研究階段尚且處於基礎研究，並未能夠完全掌握其中的詳細結構。使得這類材料受制於尺寸、不穩定、比較脆等問題。

「只有完全破解其結構信息，掌握其結構本質，才能建立明確的結構與性能的關係。這樣就可以根據它的微觀結構來調控它的宏觀性能，才有可能設計出更多新型高性能的非晶材料。」李茂枝強調，調控這類非晶材料才是最終目標。

材料的結構決定它的性能。比如「碳」，石墨、石墨烯、鉛筆芯、金剛石都屬於「碳」，但是表現出來的性能卻完全不一樣，實際上就是這些材料裡面的結構改變了。

據汪衛華透露，正是深知非晶金屬玻璃的重要性和現實意義，國家自然科學基金委把金屬玻璃結構和性能關係研究作為了今年一個重點支持方向，竭力推進產學研結合，希望能夠建立這種具有極大市場推廣價值的材料的結構和性能的關係，並且可以最終調控它，以開發出新的材料。

「我們將會繼續沿著這條路的方向往前走，爭取更大的突破。」汪衛華說。

《中國科學報》 (2015-02-16 第8版 基金)

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