責編·作者：中科

金屬冰川玻璃態(tài)的結(jié)構，序參量，熱力學，動力學表征

 

　　冰川玻璃態(tài)作為一種新型非晶亞穩(wěn)態(tài)，它的提法最早出現(xiàn)于1996年。當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發(fā)現(xiàn)，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）的過冷液體區(qū)間內(nèi)的特定溫度下進行保溫，TPP會轉(zhuǎn)變成一種能量介于非晶態(tài)和晶態(tài)之間的新物態(tài)，即冰川玻璃態(tài)。這種轉(zhuǎn)變被稱為冰川化過程，它屬于同成分下一種液體向另一種液體的結(jié)構轉(zhuǎn)變（液液相變），其相變產(chǎn)物是冰川玻璃態(tài)。冰川玻璃態(tài)既有非晶的結(jié)構，又像晶體一樣能夠熔化；冰川玻璃態(tài)具有與玻璃態(tài)完全不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、脆度、密度、反射率和分子結(jié)構。因此，研究冰川玻璃態(tài)既有科學意義，又有應用價值。

 

　　非晶合金的形成液體屬于簡單原子體系，近年來在該體系中有關液液相變的工作常有報道，但缺乏對液液相變產(chǎn)物——金屬冰川玻璃態(tài)的研究。有實驗工作認為它具有“超穩(wěn)定”性質(zhì)，但也有工作認為這是納米晶效應。有分子動力學模擬工作發(fā)現(xiàn)銀液體在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近等溫退火后會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的“G”相，該相在徑向分布函數(shù)中表現(xiàn)為非晶態(tài)；同時在升溫過程“G”相會出現(xiàn)一個明顯的“吸熱峰”；這些都是冰川玻璃態(tài)的特征。

 

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室博士生沈杰在汪衛(wèi)華院士、白海洋研究員和孫永昊特聘研究員的共同指導下，成功制備了以鑭鈰基非晶合金為前驅(qū)體的金屬冰川玻璃（圖1顯示了冰川相的二十面體結(jié)構序）。首先，他們制備了成分為La32.5Ce32.5Co25Al10（原子百分比）的非晶合金，并發(fā)現(xiàn)該樣品在差熱分析上表現(xiàn)出一個明顯的放熱峰（圖2a）；隨后，它們對加熱過程進行了原位表征，發(fā)現(xiàn)新樣品的硬度和結(jié)構都發(fā)生了明顯的變化（圖2b-d），但轉(zhuǎn)變產(chǎn)物仍為非晶結(jié)構（圖3）；通過將樣品在放熱峰后快速冷卻，他們發(fā)現(xiàn)該樣品具有新的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；由此證實新樣品可能是一種潛在的金屬冰川態(tài)。在本工作中，研究團隊利用閃速差示掃描量熱儀（FDSC）研究

La32.5Ce32.5Co25Al10非晶合金在一系列升溫速率下的相變路徑（圖4），發(fā)現(xiàn)當升溫速率達到400至2000 K/s時，放熱峰后會出現(xiàn)一個面積相當?shù)奈鼰岱?；通過調(diào)控吸/放熱峰后的冷卻可以實現(xiàn)冰川玻璃態(tài)到初始玻璃態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，排除了納米晶效應。

 

　　金屬冰川玻璃態(tài)的發(fā)現(xiàn)有力地支持了在非晶合金中存在液液相變的觀點，提供了一個研究金屬液體液液相變的理想體系，為后續(xù)研究提供了理想載體。

 

　　相關研究成果發(fā)表在期刊Journal of Physical Chemistry Letters上并入選為封面文章；受理專利：202010636902.X。

 

　　本工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDB30000000)，國家重點研發(fā)計劃(2018YFA0703603)、國家自然科學基金委(11790291、 61999102、61888102、51971239)和廣東省自然科學基金(2019B030302010)等的資助。（中科）