“金属玻璃”如何形成的实验研究挑战了玻璃研究的范式

时间:2020-05-09 01:20 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

“金属玻璃”如何形成的实验研究挑战了玻璃研究的范式

除非你碰巧是一位材料科学家(我们大多数人毕竟不是),否则“眼镜”这个词可能会让人想起窗玻璃、水杯或眼镜之类的东西。几乎没有人会想到金属。但是金属玻璃,也被称为“非晶金属”,在科学研究和技术中发挥着越来越重要的作用。

当金属熔体被迅速冷却,在几分之一秒内凝固时,它们在原子水平上仍然是混乱无序的。如果它们被缓慢冷却,原子会有时间重新排列并形成一个有序的晶格结构,但非常迅速的冷却意味着无序的液态熔体中的原子没有足够的时间重新排列,基本上冻结在原来的位置。这种原子无序赋予了这些“非平衡”金属玻璃的特性,这与有序晶体合金的特性截然不同,后者是在相同成分经历更传统的缓慢冷却后形成的。金属玻璃可以像钢一样坚固,同时具有聚合物的弹性。

宇宙中的大多数物质都是无定形的,这意味着它们是无序的、无组织的,缺乏晶体固体中所具有的长期秩序。即使是在地球上处于冻结状态的水,在更广阔的宇宙中也是玻璃状或无定形的,比如在温度低于-150°C的彗星中发现的水。从科学的角度看,从液态到无定形固态的转变具有根本的意义。

“玻璃化过程中到底发生了什么还不是很清楚,”伊莎贝拉·加利诺说。加利诺博士与来自西班牙(Dr. Daniele Cangialosi博士、Dr. Xavier Monnier博士)、法国(Dr. Beatrice Ruta博士)和德国(同样来自萨尔大学的Ralf Busch教授)的同事一起,以前所未有的细节研究了亚稳态液态合金玻璃化成固体玻璃时,原子层面上发生了什么。

“金属玻璃”如何形成的实验研究挑战了玻璃研究的范式

在格勒诺布尔的欧洲同步加速器研究中心,加利诺和她的同事们利用极其明亮和连贯的x射线光束,研究了一种特殊的金合金在从150°C(液态)冷却到115°C(冻结的玻璃态)时的原子重排列。利用这项技术,研究小组能够观察到原子的运动是如何随着材料的冻结而减少的。冷冻过程本身也研究了使用一种新的闪光量热-快速扫描量热计,使极高的加热和冷却速度可以实现。在此之前,没有人能够以如此高的精度观察玻璃化范围内的情况。

“到目前为止,还没有人能在如此大范围的升温和降温速率下成功地观测到这些现象,”伊莎贝拉·加利诺(Isabella Gallino)解释道,她目前正在研究自己的Habilitation,这是一个高级研究学位,持有者有资格在德国教授级别的教学。十年前,由于技术原因,这类研究根本不可行。当时,科学家并没有对这些材料的选择极其明亮的同步加速器x射线,他们也没有获得快速扫描热量计,使相变和其他转换记录温度100000度/秒。如今,这两种选择都有了,伊莎贝拉·加利诺(Isabella Gallino)和她的同事们很好地利用了它们。

他们的研究论文发表在权威的同行评审期刊《科学进展》(Science Advances)上。研究团队在论文中表示,他们的研究结果挑战了此前公认的材料科学研究范式。“到目前为止,传统观点认为,液体结冰的速度和所谓的弛豫速度是一样的,也就是说,随着温度降低,原子的主要迁移率降低,”加利诺博士解释说。“但这种一对一的相关性并不是我们实际观察到的。”

“那是因为熔体是由各种不同大小的原子组成的。当大的原子,如黄金,已经冻结,本质上是不动的,较小的原子,如硅,仍然可以移动,“碰撞”到他们自己的能量首选的位置,伊莎贝拉加利诺说。由于这种较小尺寸原子的集体流动,材料内部仍然存在整体的流动性,它仍然表现得像液体。只有当较小的原子最终冻结时,液体才会完全凝固成玻璃。

伊莎贝拉·加里诺和她的同事们的这一基本的新发现对正在进行的全球非晶金属和其他玻璃形成材料(如聚合物和离子液体)的研究具有重要意义。改进对玻璃化过程的理解不仅将有助于在未来创造新的专门材料,而且将使我们更深入地了解现有非晶材料的行为。

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