(相關(guān)資料圖)

作為一種處于非平衡態(tài)的新型非晶材料，金屬玻璃會(huì)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)弛豫向能量更低的平衡態(tài)演化，嚴(yán)重影響著金屬玻璃的穩(wěn)定性及其工程應(yīng)用。然而，金屬玻璃在室溫下的弛豫機(jī)制仍不清楚。一方面，金屬玻璃的弛豫行為非常復(fù)雜；另一方面，金屬玻璃在室溫下的弛豫非常緩慢，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段或模擬方法很難有效的測(cè)量或表征。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX4組博士后孫奕韜、趙睿在汪衛(wèi)華院士、柳延輝、白海洋研究員，中國(guó)人民大學(xué)李茂枝教授的聯(lián)合指導(dǎo)下，對(duì)幾種典型金屬玻璃體系進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬，并利用循環(huán)應(yīng)變加載技術(shù)加速金屬玻璃的弛豫，觀測(cè)到了金屬玻璃的室溫弛豫并進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。研究發(fā)現(xiàn)，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，幾種典型金屬玻璃體系的弛豫動(dòng)力學(xué)均呈現(xiàn)出以Kohlrausch–Williams–Watts (KWW) 函數(shù)為特征的擴(kuò)展指數(shù)衰減，并且特征擴(kuò)展指數(shù)均為β≈3/7，而金屬玻璃在過冷液相中的弛豫行為則表現(xiàn)為β≈3/5的KWW衰減模式（如圖1所示）。這些結(jié)果表明金屬玻璃在室溫下的弛豫具有普適性。進(jìn)一步，通過應(yīng)力弛豫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同成分的金屬玻璃在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下的較大溫度范圍內(nèi)都呈現(xiàn)β≈3/7為特征的應(yīng)力衰減，為金屬玻璃室溫弛豫的普適性提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)（如圖2所示）。通過對(duì)金屬玻璃體系內(nèi)的空穴進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)空穴總體積隨著老化過程的演化也呈現(xiàn)出β≈3/7為特征的KWW動(dòng)力學(xué)模式（如圖3所示）。金屬玻璃在老化過程中的結(jié)構(gòu)演化，可以認(rèn)為是體積較大的空穴逐漸湮滅的過程。

這些結(jié)果構(gòu)建了無序體系從高溫簡(jiǎn)單液體到室溫玻璃態(tài)的完整弛豫動(dòng)力學(xué)圖像：隨著溫度降低，無序體系的弛豫機(jī)制從β=1簡(jiǎn)單指數(shù)弛豫（簡(jiǎn)單液體）逐漸演化到β~3/5擴(kuò)展指數(shù)弛豫(過冷液體)；溫度進(jìn)一步降低，演化為以β=3/7為特征的玻璃態(tài)弛豫機(jī)制。這種具有明顯特征的玻璃弛豫機(jī)制為進(jìn)一步理解玻璃和玻璃轉(zhuǎn)變的本質(zhì)提供了新的證據(jù)。

相關(guān)研究成果以“Distinct relaxation mechanism at room temperature in metallic glass”為題，于2023年2月1日在Nature Communications上在線發(fā)表。孫奕韜和趙睿為論文的共同第一作者，孫奕韜和李茂枝教授為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0703600),國(guó)家自然科學(xué)基金(52001230,52031016,51825104,11790291,61888102,51871234)，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB30000000)，中國(guó)博士后科學(xué)基金(2022T150691)，和材料基因組研究平臺(tái)等的資助和支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36300-x

標(biāo)簽： 金屬玻璃