Cu-Zr金属玻璃中拓扑短程有序的团簇同源分析：揭示非晶合金的独特结构特征

研究人员针对金属玻璃中原子团簇的拓扑短程有序性难以精确表征的问题，开发了基于持久同源分析（PD2）的团簇同源分析方法，揭示了Cu64Zr36非晶合金中区别于晶体和理想二十面体的独特拓扑序，为理解金属玻璃形成机制提供了新视角。

　　

金属玻璃因其无序原子排列和优异力学性能，一直是材料科学的研究热点。传统表征方法如Voronoi多面体分析虽能识别局部原子配位，但对团簇整体拓扑特征不敏感。尤其对于Cu-Zr等二元合金体系，其高玻璃形成能力（GFA）与原子团簇的拓扑关联机制尚不明确。早稻田大学材料科学与技术研究所（Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology, Waseda University）的Yutaro Satomi和Akihiko Hirata团队在《Next Research》发表研究，通过创新性开发团簇同源分析方法，首次从拓扑不变量角度揭示了金属玻璃的独特结构秩序。

研究采用分子动力学模拟构建Cu₆₄Zr₃₆金属玻璃模型，结合持久同源分析技术（Persistent Homology），对每个原子团簇的第一近邻壳层进行第二持久图（PD2）计算。通过对比液态、不同冷却速率玻璃态及晶体结构的PD2分布特征，结合理想二十面体的理论模拟，系统阐明了非晶体系中拓扑序的形成规律。

1. 引言

金属玻璃的机械性能与其短程有序结构密切相关。传统Voronoi指数分析显示Cu中心团簇中<0 0 12 0>二十面体占比最高（19%），但无法反映拓扑层面的结构特征。研究团队突破技术瓶颈，将高阶同源计算应用于单个原子团簇，实现了对团簇空腔拓扑的精确表征。

2. 模拟方法

采用LAMMPS软件构建含13,500原子的Cu₆₄Zr₃₆模型，通过EAM势函数以1.0×10¹¹ K/s冷却速率制备非晶态。基于偏径向分布函数确定Cu-Cu（3.0 ?）、Cu-Zr（3.3 ?）、Zr-Zr（3.7 ?）截断半径，利用HomCloud计算团簇的Birth/Death值，生成0.125 ?分辨率的PD2图谱。

3. 结果

3.1 拓扑序特征

Cu中心团簇PD2集中分布于[0.763, 3.361]区间（协方差0.0045），显著区别于Zr中心团簇的[0.991, 4.500]（协方差0.0074），表明Cu团簇具有更强的拓扑有序性。配位数分析显示CN11-13团簇的PD2分布连续过渡，证明传统认为的"完美二十面体"在拓扑层面并无特殊性。

3.2 与晶体结构对比

Cu₅₁Zr₁₄等晶体中虽存在Voronoi指数相同的团簇，其PD2位置却远离非晶态分布区，证实晶体平移对称性会改变团簇拓扑特征。

3.3 理想二十面体偏差

通过Lennard-Jones势构建的理想二十面体PD2位于非晶分布边缘（图6），其2/3/5次对称轴方向的原子排布与非晶团簇存在明显几何偏差，揭示金属玻璃中二十面体的本质拓扑畸变。

4. 讨论

液态到玻璃态转变过程中，PD2分布协方差从0.0626（2000K）降至0.0045（玻璃态），Birth值方差下降尤为显著，反映拓扑序随过冷度增加而强化。该方法可灵敏区分不同冷却速率（10¹¹ vs 10¹³ K/s）制备的玻璃结构差异。

研究首次从数学拓扑角度证明：金属玻璃原子团簇既非理想二十面体，也非晶体中的配位多面体，而是具有独特拓扑特征的第三类结构。这种特征可能源于非晶体系对密堆积与拓扑畸变的协同优化，为理解金属玻璃形成能力（GFA）与力学性能的关系提供了新范式。

该成果不仅建立了非晶材料结构分析的新方法论，其团簇同源分析技术还可推广至其他金属-金属型玻璃体系。未来通过关联PD2特征与力学性能参数，有望实现基于拓扑序的金属玻璃性能预测与设计。