最新研究揭示玻璃结构的丰富可调控性

来源：知社学术圈

玻璃作为被人类使用的一种材料已经有几千年的历史。在现代生活中，玻璃材料更是无处不在，成为了一种结构、光学及信息技术的基础材料。理论上，任何物质都可以制备成玻璃态，金属也不例外。

上个世纪60年代，科学家通过把金属溶体高速冷却凝固，成功制备出一种新型的人造玻璃材料——金属玻璃。从名字就可以直观了解，它既是金属也是玻璃。更重要的是，金属玻璃兼具了传统的金属材料和玻璃材料的优势而进一步形成了许多超越传统材料的独特性质。例如：接近理论值的机械强度、比不锈钢还可以高几万倍的耐腐蚀能力、卓越的软磁性能等，因此金属玻璃被认为具有广泛的应用前景，也成为了当今金属材料研究的国际前沿热点。

材料的性能取决于材料的微观结构。“玻璃”材料的独特性能正是起源于它们内部“无序”的原子排列方式。因为缺乏传统晶态材料中由严格数学对称性所约束的规则周期排列，玻璃材料内原子的堆积方式在理论上几乎具有无限多的可能性。但是这种原子堆积的“无序性”却给人们检测、描述和认识其原子结构造成了极大的挑战。世间万物都是由元素周期表中的一百多种基本元素组成，而其中成员最多的一大类是金属元素。因此，以金属元素为主要组元的金属玻璃材料具有极其丰富的开发空间。但是，在过去的研究中，人们发现各种不同成分的金属玻璃材料在最先进的检测技术下得到的结构都表现得高度相似。另外，人们发现通过不同的制备方法和后期样品处理可以明显改变金属玻璃的性质，但是它们的原子结构的实验检测结果往往差别非常小。这些结果挑战了材料领域里“结构决定性能”的黄金定律和人们对于玻璃原子结构应该具有极丰富构型的推测。

最近，北京高压科学研究中心曾桥石研究员带领的团队在金属玻璃的结构序调控问题中取得重要进展。他们综合使用多种基于大型同步辐射x射线光源装置的先进高温-高压原位同步辐射x射线技术和实验室高分辨的透射电子显微术技术，揭示了温度、压力能对金属玻璃的结构有序度进行有效的、大幅度的双向调控。相关研究发表于近期的《自然—通讯》

首先，该团队对一个稀土基金属玻璃样品进行加热过程中细致的多种技术结构测量，发现当该金属玻璃被加热到玻璃转变（软化）温度以上时，玻璃结构并没有突然彻底失稳转变为原子规则排列的晶态，而是其无序的原子结构只是在一定程度上变得更有序（只在几个原子距离范围内保持了更强的堆积规律）。即，发生了一个热辅助的“结构有序化”转变。而当温度降下来，该更有序的材料结构能够被保留下来，作为新的材料做进一步的检测和研究。

随后，他们对冷却下来的更有序的金属玻璃样品在高压（利用一种名为“金刚石对顶压砧”的小巧装置产生高达几十万个大气压的压力）下的结构变化也进行了仔细表征，发现随压力的增加会导致样品发生一个不可逆的从较为有序态重新返回原始较无序态的转变。即，发生了一个压力冷压诱导的“结构无序化”转变。

温度、压力对金属玻璃结构序的双向调控

这些结果表明温度、压力对金属玻璃的结构起到了一个有效的双向调制的作用。进一步的原位高温、高压电阻测试表明，该金属玻璃的物理性质也可以实现与微观结构转变一致的显著的双向调控。这就说明了“结构决定性能”的黄金定律在金属玻璃中并没有失效。同时，研究人员在其他成分的金属玻璃样品中也发现了类似的温度压力双向调控现象，表明这个双向调控机制在玻璃体系里可能是较为普遍的现象。这种双向调控揭示了金属玻璃结构态的丰富性和自由调控性，将推动我们对金属玻璃结构的理解和应用。

曾桥石及其团队长期致力于金属玻璃的高压—高温结构和物性的原位检测研究。他们曾首次在大块金属玻璃中发现了电子结构变化起因的压力诱导玻璃态到玻璃态转变的现象；也通过室温下高压诱导的金属玻璃到单晶的异常晶化现象，揭示了金属玻璃的无序结构中能包含长程拓扑序的可能；对金属玻璃的广泛原位压缩实验揭示了其密度和原子结构在压缩过程中符合一个2.5次方幂函数的反常关系。

本项目得到中科院物理所、美国阿贡国家实验室和芝加哥大学合作者，以及中国自然科学基金委的大力支持。