⾦属玻璃中类液原⼦的发现及机理研究

作者: ⽩海洋研究员

来源: Nature Materials

发布日期: 2022-08-15

中国科学院物理研究所的研究团队在极端条件物理重点实验室发现,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。这些类液原子在室温下仍然可以快速扩散,有效粘度远低于金属玻璃在Tg的粘度。这一发现揭示了金属玻璃部分固体、部分液体的本质,挑战了玻璃的传统微观图像。

根据原⼦运动状态的不同,物质通常可以分为固、液、⽓三种状态,三态之间有着明显的区别,⽐如液态的⽔和固态的冰,固液两相即使充分混合仍然会存在清晰的边界。然⽽,最新的⼀些研究却挑战我们对物态的基本认识,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,即固体中存在部分可以像液体⼀样扩散的原⼦。

⽐如冰在⾼温⾼压下(如天王星、海王星等冰巨⾏星的内部)就会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。地球核⼼也可能处于超离⼦态,铁原⼦组成了固体的地核,碳氢氧等轻元素则可以在其中快速流动。我们追求的更加安全⾼效的全固态锂电池,核⼼问题之⼀也是使锂离⼦在固体中能够像在液体电解质中⼀样快速穿梭。

因此,这种固体中包含液体的现象正吸引着不同领域的科学家们越来越多的注意。

玻璃是⼀种特殊的固体材料,具有超强、超硬、堆积致密等典型的固体特性,同时⼜具有像液体⼀样⽆序的原⼦结构,是⼀个典型的复杂体系。虽然玻璃材料在⽣活中随处可⻅,且⼈类使⽤玻璃已有上千年的历史,科学家们仍然⽆法给出清晰玻璃微观结构和动⼒学图像。尽管玻璃具有和液体类似的微观结构,但⼈们⼀般认为其内部原⼦都已经失去了像液体⼀样⼤范围运动的能⼒,玻璃也通常被称为冻结的液体。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼极端条件物理重点实验室的⽩海洋研究员,联合中国⼈⺠⼤学李茂枝教授,指导物理所博⼠⽣常超、赵睿和博⼠后张华平等⼈结合动态⼒学实验、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。

这些类液体原⼦并没有被冻结,他们在室温下仍然可以快速地扩散,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,揭示出⾦属玻璃部分固体,部分液体的本质。实验上直接观测原⼦的运动是⼀件⾮常困难的事情,该研究中实验⼈员使⽤动⼒学激发的⽅式去研究玻璃内部的原⼦运动。

当外加扰动的频率与内部原⼦运动的频率相当时,原⼦运动会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。研究者重点关注了⾦属玻璃在低温下出现的损耗峰,即快弛豫峰(图1)。这⼀动⼒学模式⽐以往观察到的玻璃内对应原⼦⼤范围运动的α弛豫以及对应局域运动的β弛豫都要更快,即⾦属玻璃中存在着超出传统认识的运动更快的原⼦。

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(图2)。对⽐不同弛豫过程的弛豫时间还发现,⾼温液体的动⼒学和玻璃固体中的快弛豫满⾜相同的Arrhenius关系(图3),意味着在液体冷却过程中,⾼温液体的动⼒学模式并没有被完全冻结,⼀些原⼦可以延续⾼温液体的Arrhenius关系⾄玻璃固体中,导致了玻璃固体室温下的超快滞弹性和低温下的快动⼒学耗散峰。

进⼀步,研究者使⽤分⼦动⼒学模拟详细表征了La-Al体系中类液原⼦的运动特征和继承过程。研究发现,在室温下部分具有局部⽆序拓扑环境的Al原⼦就会发⽣类似熔化的⻓程扩散⾏为,并且呈现出链状运动的特征(图4)。这种链状运动在⾼温液体中已经产⽣(图5),并且会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。

对于⾦属玻璃中类液原⼦的研究,加深了我们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。这种新的物理图像不仅澄清了玻璃在低温下快弛豫模式的起源,也将有助于构建玻璃的动⼒学-性质关系。例如,这些类液原⼦会导致⾦属玻璃室温下明显的滞弹性⾏为,并很可能和⾦属玻璃的塑性变形密切相关。

此外,⾦属玻璃中类液原⼦和结构⽆序的关联也将对研究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以及固体电解质的离⼦迁移等。

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