我国学者与海外合作者在非晶态结构本质研究方面取得进展

【字体: 时间:2021年06月11日 来源:国家自然科学基金委员会

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  在国家自然科学基金项目(批准号:51871120、51571170、51520105001)等资助下,南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院兰司教授与香港城市大学王循理教授、美国阿贡国家实验室任洋研究员、南京航空航天大学博士生朱力、东莞市香港城市大学研究院吴桢舵研究员、中科院物理所谷林研究员等合作,在非晶态物质结构研究领域取得重要进展,研究成果以“一种新型中程有序结构桥接非晶态和晶态物质(A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline state)”为题,于2021年5月20日在线发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-021-01011-5。

  “非晶态的结构本质是什么?”这是《科学》杂志在创刊125周年提出的125个科学“大问题”之一。非晶态材料被认为是长程无序,短程有序的(2-5 ?)。近来研究发现,中程尺度(5-20 ?)有序结构,简称中程序,在非晶态材料的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。非晶合金作为一种典型的无序非晶态材料,其原子堆积方式使其成为研究非晶态物理的重要模型材料。非晶合金的中程序结构研究成为当前非晶态物理的前沿热点研究方向之一。解开非晶合金的独特中程序结构的构型,对调控非晶合金的微观结构,破译相变和形变过程中基本结构响应单元,具有重要的理论和现实意义。

  但破译非晶态材料的中程序结构具有很高的难度。挑战之一在于现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大长度尺度范围的结构联系,特别是非晶态材料的结晶产物往往在成分上区别于非晶基体,具有截然不同的基本结构单元,使这一问题变得极为复杂。挑战之二在于非晶态材料缺少长程周期性,现有的表征手段难以精确解析其短程到中程尺度有序结构。研究团队克服了上述挑战,成功在经典大块金属玻璃形成体系钯镍磷中直接捕获了桥接非晶态与晶态的一种手性中程序结构六元三帽三棱柱(命名为6M-TTP)。该结构的短程序多面体能以一种奇特的手性结构构成具有约12.5埃米的中程序构型,其铸态的长程无序堆积在一定温度可以转变成有序堆积的立方相,且能保持其中程序构型基本单元的亚稳性(图1 a-c)。该工作不仅为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对于非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。

 

图1 桥接非晶态和晶态的中程序结构,a 经典钯镍磷大块金属玻璃中发现的一种亚稳立方析出相的模型及中程序结构单元模型六元三帽三棱柱;b 六元三帽三棱柱在亚稳立方相和非晶相中存在的直接观测证据;c 所破译的中程序结构径向分布函数与整个非晶合金结构的径向分布函数可以直接匹配

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