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敲开非晶金属玻璃的结构之门
发布:Kate0609   时间:2015/7/25 9:55:00   阅读:1491 
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一直以来,在凝聚态物理和材料科学领域有一个非常引人注目的科学谜团,即非晶金属玻璃中的原子结构本质,这阻碍了科学家对非晶材料性能的认识,也延迟了科学家研发新型非晶材料的步伐。

日前,在国家自然科学基金项目和科技部“973”计划项目的资助下,中国科学院物理研究所汪卫华研究组和中国人民大学物理系教授李茂枝研究组、北京大学工学院教授刘凯欣研究组在该领域进行合作,发现了金属玻璃衍射数据当中所隐含的结构上的拓扑序,终于揭开了这一谜团的研究序幕。而他们的成果也被《自然》杂志子刊《自然—通讯》所接收发表。

迈出关键性一步

诺贝尔物理学奖得主p.w.anderson曾在《科学》杂志发表文章表示,玻璃及玻璃转变的本质,可能是固体理论当中最为有趣、最深刻且尚未解决的问题之一。

金属玻璃,又称非晶态合金,是材料科学领域中的“后起之秀”。自从上世纪60年代美国加州理工大学教授duwez第一次在实验室将其制备出后,一直受到各个领域科学家的广泛关注。它也成为研究玻璃转变及非晶态物质结构的模型体系。
 


此外,金属玻璃的出现也为材料学界带来了一座“金矿”

“这个材料应用得比较广,在我国有将近1000亿元的市场。”汪卫华在接受《中国科学报》记者采访时表示,块体金属玻璃这类材料应用前景极广,可应用于材料、工程、能源、国防和航空航天等领域。比如变压器里面的铁芯,以前用的都是硅钢,现在则主推使用这类材料,因为它的生产过程具有节约能源、噪音小、降低成本等优点;此外,块体金属玻璃是新一代穿甲弹的备选材料。

但是由于科学家未能掌握其结构的特征,不知道其原子的排列规律这成为长期以来这类材料发展的瓶颈。

李茂枝、汪卫华及其合作者经过近两年时间,基于大量数据分析对比,加上计算机模拟等方法发现,金属玻璃的衍射特征峰背后隐含着金属玻璃中程序的结构信息。

“基于本领域科学家们大量的前期科研工作,在前人优秀科研成果的基础上,我们又往前迈出了关键的一步。”北京大学工学院博士武振伟说,该研究成果同时为进一步深入认识和理解非晶材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析方法和思路。

在中国人民大学物理系李茂枝看来,他们其实是在研究非晶结构内在的根源。“这样的发现,使得我们可以从新的角度认识金属玻璃的结构特征。”

从无序到有序

人类文明的进步与繁荣,是与认识和使用材料的历史紧密联系在一起的,正因如此,早期历史被分为石器时代、铜器时代和铁器时代。目前非晶材料并不能被人类所完全掌握和充分利用,因为其一大特点是原子排列是混乱的、无序的。金属玻璃也是如此,是属于无序材料中的一种。“在研究金属玻璃时,我们遇到的最重要的问题,就是如何去发现序并描述它的结构。”汪卫华说。

对于金属晶体,其微观原子结构可以采用现代微观结构分析和表征手段,如x射线衍射或透射电镜等技术表征出来。

然而,这些分析和表征手段对金属玻璃的结构分析却非常有限。“不同的金属玻璃得到的几乎都是相似的弥散衍射花样和展宽的衍射特征峰,常规的分析方法很难区分出不同金属玻璃微观结构的差别。”武振伟表示。

近年来,球差电镜技术的发展,使他们对金属玻璃的短程序有了比较清晰深刻的认识。随后,该研究团队发现了金属玻璃衍射数据当中所隐含的结构上的中程拓扑序,这一序列与晶体中的球周期序有着紧密的联系。

“从晶体到非晶,我们从两者之间的深刻联系找到了解决问题的突破口。”武振伟介绍说,从无序中发现有序,是一个避繁就简的过程,当人们试图站在不同的尺度来理解非晶的结构时,必须把关注点放在比较重要的主要矛盾上,而忽略掉一些可能带来干扰因素的次要矛盾。

“以前,我们一直是从无序的角度出发去认识这类材料,现在发现这类非晶材料其实和晶体的序是有关联的,这样我们就可以从晶体角度去认识玻璃。”李茂枝说。

开发新材料是最终目标

金属玻璃是采用现代快速凝固冶金技术阻止金属合金熔体的晶化而合成的一种新型非晶材料。它具有许多优异的力学、物理和化学性能,在短短几十年的探索期间,便已展现出异乎寻常的应用潜力。
 


需要指出的是,由于目前的研究阶段尚且处于基础研究,并未能够完全掌握其中的详细结构。使得这类材料受制于尺寸、不稳定、比较脆等问题。

“只有完全破解其结构信息,掌握其结构本质,才能建立明确的结构与性能的关系。这样就可以根据它的微观结构来调控它的宏观性能,才有可能设计出更多新型高性能的非晶材料。”李茂枝强调,调控这类非晶材料才是最终目标。

材料的结构决定它的性能。比如“碳”,石墨、石墨烯、铅笔芯、金刚石都属于“碳”,但是表现出来的性能却完全不一样,实际上就是这些材料里面的结构改变了。

据汪卫华透露,正是深知非晶金属玻璃的重要性和现实意义,国家自然科学基金委把金属玻璃结构和性能关系研究作为了今年一个重点支持方向,竭力推进产学研结合,希望能够建立这种具有极大市场推广价值的材料的结构和性能的关系,并且可以最终调控它,以开发出新的材料。

“我们将会继续沿着这条路的方向往前走,争取更大的突破。”汪卫华说。


来源:光明科技

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