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玻璃，已经在人类社会生活中应用已久，但对其是如何形成的，即所谓的玻璃化过程的了解，仍是材料科学中的一个主要挑战。近日，西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心的Daniele Cangialosi & Isabella Gallino等研究者，通过采用快速扫描量热法研究了玻璃化动力学，从极限假设温度和原子迁移率的角度研究了基于Au块状金属玻璃成型的α-弛豫过程。相关论文以题为“Vitrification decoupling from α-relaxation in a metallic glass”于04月24日发表在Science Advances上。 论文链接： https://advances./content/6/17/eaay1454 诸如粘性液体和胶体悬浮液等一系列不同的材料，都可以在非平衡状态下凝固，然而这种状态目前还没有被完全了解。这一过程被称为玻璃化转变或玻璃化，在过去的几十年里一直是一个非常重要的话题，也是凝聚态物理中最引人入胜但仍未解决的问题之一。温度降低通常是转变过程中触发粘性液体的参数，而敛集系数或等待时间对软玻璃材料起同样的作用。 其中一个的重要问题，是否在粘性液体中发生玻璃化（也就是，从亚稳平衡的过冷液体到非平衡玻璃的转变）和去玻璃化（通常发生在玻璃化转变过程中的加热玻璃阶段）以及是否只与主要结构弛豫过程有关，即α-弛豫过程，是几个结构单元的协同运动还是其他原子的运动起了作用。传统的研究基于各种性质的玻璃的实验证据, 表明了玻璃化转变温度对冷却速率的依赖关系表现出了与粘度对温度或结构α-弛豫时间τ的依赖性相同的特性。在所谓的动态脆弱液体的情况下，在温度大约是量热玻璃化转变温度的两倍时，平衡粘度和τ开始形成对超阿仑尼乌斯温度的依赖关系。 与聚合物和分子体系不同，大块金属玻璃(BMGs)通常被认为是研究玻璃转变过程的候选模型，因为它们没有任何可能影响其玻璃化的反应或分子内运动。它们是典型的多组份合金，具有较大的尺寸失配和组分间的多相的化学亲和力。 通过对金属玻璃的观察，突出了它们的多组分性质应该如何反映多相的动态行为，并暗示了这一点：除了α-弛豫外，还有多种不同的原子运动，表现出不同的时间尺度。示踪扩散实验和BMGs上的核磁共振(NMR)显示，这些原子运动可能与α-弛豫完全解耦。此外，即使在探索宏观动力学的实验中，也可以证明原子运动中存在多种多相弛豫现象，比如检测应力衰变，以及在分子动力学模拟中显示了二次弛豫的结构来源。 在此，研究者证明了在标准条件下，多组分大块金属玻璃Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 可以显示玻璃化动力学的多相性，即没有任何几何限制或延长退火。以上结论是基于两项详尽的研究，即通过快速扫描量热法(FSC)，一种是测定玻璃化动力学，另一种是在较宽的时间和温度范围内探测Au-基BMG的原子迁移率。前者的特征是极限假设温度，Tf，以一定速率冷却后形成的玻璃的温度将达到平衡状态。通过完全独立于Tf的阶跃响应分析，FSC通过复合物-特定热的温度和频率依赖性来传递原子迁移率的信息。研究发现玻璃化动力学的冷却速率依赖关系，由Tf来鉴别，可从弛豫对温度的依赖中解耦出来。特别是，与弛豫相比，前者对温度的依赖性更弱。这一结果表明，可以通过改变制备条件来调节玻璃的Tf，例如，玻璃态的冷却速率或退火时间，比单独的α-过程所允许的范围要大得多。 图1 扭转比热与温度的函数关系以及机械顺从性和频率关系 图2 Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3在不同温度下的热流率 图3 通过对Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3玻璃的FSC，提取的弛豫时间 综上所述，利用FSC，研究者对动态玻璃转变温度，金属玻璃之前的α-弛豫，以及冷却过程中玻璃化动力学的极限假设温度Tf分别进行了表征。最后，需要指出的是，虽然该结果只适用于单一的金属玻璃，但不同性质的金属玻璃和玻璃成型存在着不同的弛豫机制。但所观察到的以合适速度解耦可能仍然是一个悬而未决的问题，因此它将对科学产生巨大影响，参与其过程，促进其发展。（文：水生） |
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