中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
EX4组供稿
第99期
2020年12月08日
合金新物态——金属冰川玻璃的发现

  冰川玻璃态作为一种新型非晶亚稳态,申博管理网会员登入:它的提法最早出现于1996年。当年,美国加州大学洛杉矶分校的Kivelson研究组发现,如果在一种分子液体——亚磷酸三苯酯(TPP)——的过冷液体区间内的特定温度下进行保温,TPP会转变成一种能量介于非晶态和晶态之间的新物态,即冰川玻璃态。这种转变被称为冰川化过程,它属于同成分下一种液体向另一种液体的结构转变(液液相变),其相变产物是冰川玻璃态。冰川玻璃态既有非晶的结构,又像晶体一样能够熔化;冰川玻璃态具有与玻璃态完全不同的玻璃化转变温度、脆度、密度、反射率和分子结构。因此,研究冰川玻璃态既有科学意义,又有应用价值。

  非晶合金的形成液体属于简单原子体系,近年来在该体系中有关液液相变的工作常有报道,但缺乏对液液相变产物——金属冰川玻璃态——的研究。有实验工作认为它具有“超稳定”性质,但也有工作认为这是纳米晶效应。有分子动力学模拟工作发现银液体在其玻璃化转变温度附近等温退火后会转变为一种新的“G”相,该相在径向分布函数中表现为非晶态;同时在升温过程“G”相会出现一个明显的“吸热峰”;这些都是冰川玻璃态的特征。

  近期,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博士生沈杰在汪卫华院士、白海洋研究员和孙永昊特聘研究员的共同指导下,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,并发现该样品在差热分析上表现出一个明显的放热峰(图2a);随后,它们对加热过程进行了原位表征,发现新样品的硬度和结构都发生了明显的变化(图2b-d),但转变产物仍为非晶结构(图3);通过将样品在放热峰后快速冷却,他们发现该样品具有新的玻璃化转变温度;由此证实新样品可能是一种潜在的金属冰川态。在本工作中,研究团队利用闪速差示扫描量热仪(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。


金属冰川玻璃态的结构,序参量,热力学,动力学表征

  金属冰川玻璃态的发现有力地支持了在非晶合金中存在液液相变的观点,提供了一个研究金属液体液液相变的理想体系,为后续研究提供了理想载体。

  相关研究成果发表在期刊Journal of Physical Chemistry Letters上并入选为封面文章;受理专利:202010636902.X。文章链接:http://o25.283tyc.com/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。