中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
EX4組供稿
第99期
2020年12月08日
合金新物態——金屬冰川玻璃的發現

  冰川玻璃態作爲一種新型非晶亞穩態,它的提法最早出現于1996年。當年,美國加州大學洛杉矶分校的Kivelson研究組發現,如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯(TPP)——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫,TPP會轉變成一種能量介于非晶態和晶態之間的新物態,即冰川玻璃態。這種轉變被稱爲冰川化過程,它屬于同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變(液液相變),其相變産物是冰川玻璃態。冰川玻璃態既有非晶的結構,又像晶體一樣能夠熔化;冰川玻璃態具有與玻璃態完全不同的玻璃化轉變溫度、脆度、密度、反射率和分子結構。因此,研究冰川玻璃態既有科學意義,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,但缺乏對液液相變産物——金屬冰川玻璃態——的研究。有實驗工作認爲它具有“超穩定”性質,但也有工作認爲這是納米晶效應。有分子動力學模擬工作發現銀液體在其玻璃化轉變溫度附近等溫退火後會轉變爲一種新的“G”相,該相在徑向分布函數中表現爲非晶態;同時在升溫過程“G”相會出現一個明顯的“吸熱峰”;這些都是冰川玻璃態的特征。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心极端条件物理重点实验室博士生沈杰在汪卫华院士、白海洋研究員和孙永昊特聘研究員的共同指导下,成功制备了以镧铈基非晶合金为前驱体的金属冰川玻璃(图1显示了冰川相的二十面体结构序)。首先,他们制备了成分为La32.5Ce32.5Co25Al10(原子百分比)的非晶合金,並發現該樣品在差熱分析上表現出一個明顯的放熱峰(圖2a);隨後,它們對加熱過程進行了原位表征,發現新樣品的硬度和結構都發生了明顯的變化(圖2b-d),但轉變産物仍爲非晶結構(圖3);通過將樣品在放熱峰後快速冷卻,他們發現該樣品具有新的玻璃化轉變溫度;由此證實新樣品可能是一種潛在的金屬冰川態。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温速率下的相变路径(图4),发现当升温速率达到400至2000 K/s时,放热峰后会出现一个面积相当的吸热峰;通过调控吸/放热峰后的冷却可以实现冰川玻璃态到初始玻璃态的可逆转变,排除了纳米晶效应。


金屬冰川玻璃態的結構,序參量,熱力學,動力學表征

  金屬冰川玻璃態的發現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,爲後續研究提供了理想載體。

  相關研究成果發表在期刊Journal of Physical Chemistry Letters上并入选为封面文章;受理專利:202010636902.X。文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01789

  本工作得到了中科院战略性先导科技专项(XDB30000000),国家重点研发计划(2018YFA0703603),国家自然科学基金委(11790291, 61999102, 61888102, 51971239)和广东省自然科学基金(2019B030302010)等的资助。