最新研究揭示了玻璃结构丰富的可控性

最新研究揭示了玻璃结构的丰富适应性

玻璃已经被人类使用了几千年。在现代生活中，玻璃材料无处不在，已经成为结构、光学和信息技术的基础材料。理论上，任何物质都可以变成玻璃态，金属也不例外。

20世纪60年代，科学家通过高速冷却和固化熔融金属，成功制备了一种新型人造玻璃材料——金属玻璃。从这个名字可以直观地理解，它既是金属又是玻璃。更重要的是，金属玻璃结合了传统金属材料和玻璃材料的优点，进一步形成了许多超越传统材料的独特性能。例如，机械强度接近理论值，耐腐蚀性比不锈钢高几万倍，优良的软磁性能等。因此，金属玻璃被认为具有广阔的应用前景，已成为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”材料的独特性质源于其内部原子的“无序”排列。由于传统晶体材料缺乏严格数学对称性约束的规则周期排列，玻璃材料中原子的积累模式在理论上几乎有无限的可能性。然而，这种原子积累的“无序”给人们探测、描述和理解其原子结构带来了巨大的挑战。世界上的一切都是由元素周期表中的100多种基本元素组成的，其中最大的一类是金属元素。因此，以金属元素为主要成分的金属玻璃材料具有极其丰富的发展空间。然而，在过去的研究中，人们发现在最先进的检测技术下，不同成分的各种金属玻璃材料的结构高度相似。此外，还发现通过不同的制备方法和样品的后处理，金属玻璃的性能会发生明显的变化，但其原子结构的实验检测结果往往差别很小。这些结果挑战了材料领域中“结构决定性能”的黄金定律和人们对玻璃原子结构应该具有极其丰富的构型的猜测。

近日，北京高压科学研究中心研究员曾桥石带领的团队在金属玻璃的结构顺序控制方面取得了重要进展。他们综合运用了基于大型同步辐射x光光源装置和实验室高分辨率透射电子显微镜技术的多种先进的高温高压原位同步辐射x光技术，揭示了温度和压力可以有效、大幅度地控制金属玻璃的结构顺序。相关研究发表在最近的《自然—通讯》

首先，该团队测量了一个稀土金属玻璃样品，该样品在加热过程中具有各种详细的技术结构。发现当金属玻璃被加热到玻璃化转变(软化)温度以上时，玻璃结构不会突然完全失去稳定性并转变成具有规则排列原子的晶态，但是其无序的原子结构仅在一定程度上变得更加有序(仅在几个原子距离内保持更强的堆叠规则)。也就是说，已经发生了热辅助的“结构有序”转变。然而，当温度下降时，更有序的材料结构可以作为新材料保存下来，以供进一步检测和研究。

随后，他们还仔细表征了冷却后的更有序的金属玻璃样品在高压下的结构变化(使用一种叫做“金刚石抵砧”的小装置来产生数十万个大气压的压力)。发现随着压力的增加，样品将经历从更有序状态到原始更无序状态的不可逆转变。也就是说，发生了由压力冷压引起的“结构紊乱”转变。

温度和压力对金属玻璃结构顺序的双向调节

这些结果表明温度和压力对金属玻璃的结构具有有效的双向调节作用。进一步的原位耐高温高压试验表明，金属玻璃的物理性能也能实现显著的双向拉伸

曾乔石和他的团队长期致力于金属玻璃高压高温结构和物理性能的原位测试和研究。他们第一次发现了由大块金属玻璃中电子结构的变化引起的压力诱导的玻璃到玻璃的转变。室温下高压诱导的金属玻璃向单晶的反常结晶现象也揭示了金属玻璃无序结构可能包含长程拓扑有序的可能性。对金属玻璃进行的大量原位压缩实验表明，金属玻璃的密度和原子结构符合压缩过程中2.5次幂的幂函数的异常关系。

该项目得到了中国科学院物理研究所、美国阿尔贡国家实验室、芝加哥大学合作伙伴和中国自然科学基金会的大力支持。