作者:白海洋等 来源:《自然—材料》 发布时间:2022/9/1 14:58:58
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科研人员在实验中发现金属玻璃中存在类液原子

 

近日,《自然—材料》在线发表了中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室研究员白海洋等人与合作者的最新研究成果。研究运用动态力学实验、纳米压痕测试和分子动力学模拟等多种动力学研究手段,发现金属玻璃等紧密堆积的玻璃固体中存在继承了高温液体动力学行为的类液原子。这些类液体原子没有被冻结,在室温下可快速地扩散,有效粘度只有107帕秒,比金属玻璃在Tg的粘度低了至少6个数量级。这一发现突破了玻璃的传统微观图像,揭示了金属玻璃部分固体、部分液体的本质。

根据原子运动状态的不同,物质通常可分为固、液、气3种状态,3态之间有明显区别,例如,液态的水和固态的冰,固液两相即使充分混合仍会存在清晰的边界。然而,一些最新的研究却挑战我们对物态的基本认识,即在极端条件或特殊体系中,单相的物质可以处于既是固态也是液态的奇异状态,也就是固体中存在部分可以像液体一样扩散的原子。例如,冰在高温高压下,如天王星、海王星等冰巨行星的内部,处于一种奇异的超离子态,氧原子固定在平衡位置附近振动,氢原子则可以像在液体中一样自由扩散。

使锂离子在固体中能够像在液体电解质中一样快速穿梭,是实现更加安全高效的全固态锂电池的核心问题之一。因此,这种固体中包含液体的现象吸引着不同领域科学家越来越多的关注。

玻璃是特殊的固体材料,具有超强、超硬、堆积致密等典型的固体特性,以及如同液体一样无序的原子结构,是典型的复杂体系。玻璃材料在生活中随处可见,且人类使用玻璃已有上千年历史。然而,科学家却无法给出清晰的玻璃微观结构和动力学图像。此外,尽管玻璃具有和液体类似的微观结构,但一般认为其内部原子均已失去像液体一样大范围运动的能力,故玻璃通常被称为冻结的液体。

该研究中,研究人员通过实验在金属玻璃中发现了类液原子。

一般而言,在实验上,直接观测原子的运动颇为困难。该研究中,研究人员使用动力学激发的方式去探究玻璃内部的原子运动,即当外加扰动的频率与内部原子运动的频率相当时,原子运动与外场发生共振吸收,从而在实验中能测量到特征的损耗峰。研究重点关注的是金属玻璃在低温下出现的损耗峰,即快弛豫峰。与以往研究相比,这一动力学模式观察到金属玻璃中存在超出传统认识的运动更快的原子。

研究对大量不同体系动力学激活能的测量表明,快弛豫的激活能和高温液体动力学的激活能保持一致。研究发现,在室温下部分具有局部无序拓扑环境的Al原子会发生类似熔化的长程扩散行为,并呈现出链状运动的特征。这种链状运动在高温液体中已产生,且随温度降低越来越显著,直至在玻璃固体中表现为低温下的快动力学模式,意味着类液原子的继承本质上是对链状运动模式的继承。

研究人员认为,对于金属玻璃中类液原子的研究,加深了科学家对于玻璃本质的认识,即玻璃态其实是一种部分是固态、部分是液态的奇异状态。这种新的物理图像澄清了玻璃在低温下快弛豫模式的起源,并将有助于构建玻璃的动力学-性质关系。此外,金属玻璃中类液原子和结构无序的关联也对探索其他固体物质中的超快扩散带来启发,如超离子态的结构起源、固体电解质的离子迁移等。(来源:中国科学报 韩扬眉)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01327-w

 
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