科研人員發現合金新物態——金屬冰川玻璃

冰川玻璃態作為一種新型非晶亞穩態，它的提法最早出現於1996年。當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發現，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫，TPP會轉變成一種能量介於非晶態和晶態之間的新物態，即冰川玻璃態。這種轉變被稱為冰川化過程，它屬於同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變（液液相變），其相變產物是冰川玻璃態。冰川玻璃態既有非晶的結構，又像晶體一樣能夠熔化；冰川玻璃態具有與玻璃態完全不同的玻璃化轉變溫度、脆度、密度、反射率和分子結構。因此，研究冰川玻璃態既有科學意義，又有應用價值。

非晶合金的形成液體屬於簡單原子體系，近年來在該體系中有關液液相變的工作常有報導，但缺乏對液液相變產物——金屬冰川玻璃態——的研究。有實驗工作認為它具有「超穩定」性質，但也有工作認為這是納米晶效應。有分子動力學模擬工作發現銀液體在其玻璃化轉變溫度附近等溫退火後會轉變為一種新的「G」相，該相在徑向分布函數中表現為非晶態；同時在升溫過程「G」相會出現一個明顯的「吸熱峰」；這些都是冰川玻璃態的特徵。

近期，松山湖材料實驗室汪衛華院士、雙聘研究員白海洋和中國科學院物理研究所特聘研究員孫永昊共同指導博士生沈傑，成功製備了以鑭鈰基非晶合金為前驅體的金屬冰川玻璃（圖1顯示了冰川相的二十面體結構序）。首先，他們製備了成分為La32.5Ce32.5Co25Al10（原子百分比）的非晶合金，並發現該樣品在差熱分析上表現出一個明顯的放熱峰（圖2a）；隨後，它們對加熱過程進行了原位表徵，發現新樣品的硬度和結構都發生了明顯的變化（圖2b-d），但轉變產物仍為非晶結構（圖3）；通過將樣品在放熱峰後快速冷卻，他們發現該樣品具有新的玻璃化轉變溫度；由此證實新樣品可能是一種潛在的金屬冰川態。在本工作中，研究團隊利用閃速差示掃描量熱儀（FDSC）研究La32.5Ce32.5Co25Al10非晶合金在一系列升溫速率下的相變路徑（圖4），發現當升溫速率達到400至2000 K/s時，放熱峰後會出現一個面積相當的吸熱峰；通過調控吸/放熱峰後的冷卻可以實現冰川玻璃態到初始玻璃態的可逆轉變，排除了納米晶效應。

金屬冰川玻璃態的結構，序參量，熱力學，動力學表徵

金屬冰川玻璃態的發現有力地支持了在非晶合金中存在液液相變的觀點，提供了一個研究金屬液體液液相變的理想體系，為後續研究提供了理想載體。

相關研究成果發表在期刊Journal of Physical Chemistry Letters上併入選為封面文章；受理專利：202010636902.X。

本工作得到了中科院戰略性先導科技專項(XDB30000000)，國家重點研發計劃(2018YFA0703603)，國家自然科學基金委(11790291, 61999102, 61888102, 51971239)和廣東省自然科學基金(2019B030302010)等的資助。