曾橋石團隊實現溫度壓力雙向調控金屬玻璃結構序

    北京高壓科學研究中心研究員曾橋石帶領的團隊通過高溫結合高壓的調控和原位檢測，實現了對金屬玻璃原子結構序的有效雙向調控。他們發(fā)現的這種雙向調控揭示了金屬玻璃結構態(tài)的豐富性和自由調控性，將推動對金屬玻璃結構的理解和應用。相關研究發(fā)表于近期的《自然—通訊》 。

　　金屬玻璃兼具金屬和玻璃兩種材料的特性，具有廣泛的潛在應用前景，同時為玻璃態(tài)物質的基礎研究提供了特殊的模型體系。

　　在過去的研究中，人們發(fā)現，盡管金屬玻璃的性質可以輕易地通過不同的制備方法和后期樣品處理實現調節(jié)，但是它們的原子結構在衍射和成像技術檢測下總是高度的相似，差別極小。這些結果挑戰(zhàn)了對金屬玻璃結構的理解。

　　最近，曾橋石團隊在金屬玻璃的結構序調控問題中取得重要進展。他們使用高溫、高壓原位高能X射線衍射及高溫、高壓原位小角散射測量，發(fā)現溫度、壓力能對金屬玻璃的結構有序度進行有效的雙向調控。

　　該團隊仔細研究了溫度對金屬玻璃結構的影響。通過對一個Ce65Al10Co25金屬玻璃樣品進行高溫下原位高能X射線衍射及小角散射測量，他們發(fā)現當金屬玻璃被加熱到玻璃轉變溫度以上的放熱峰區(qū)域時，常規(guī)認為的玻璃晶化現象并沒有發(fā)生。

　　衍射譜上沒有任何尖銳的布拉格衍射峰的出現，取而代之的只是原來的非晶衍射峰的強度稍微提高，峰寬略微減小。在實空間中，原子的徑向分布函數的震蕩信號在中程序區(qū)域得到相應加強和擴展，表現出高度中程有序性。

　　同時，研究人員發(fā)現，高溫獲得的高度有序態(tài)樣品在溫度降低之后，可以很好地保留到常溫環(huán)境，表現為一個不可逆的有序化轉變，并且該高度有序態(tài)樣品具有明顯提高了的玻璃轉變溫度。

　　隨后，他們通過對高度有序態(tài)樣品進行進一步的高壓下原位高能X射線衍射及小角散射測量，發(fā)現高度有序態(tài)金屬玻璃樣品伴隨著壓力的增加發(fā)生了一個不可逆的無序化轉變過程，重新變回原始低有序狀態(tài)。

溫度、壓力對金屬玻璃結構序的雙向調控

　　通過高分辨電鏡實驗，他們發(fā)現其初始低有序態(tài)、溫度誘導的高有序態(tài)以及進一步通過壓力誘導的低有序態(tài)都具有典型的無序結構，而不是具有周期平移對稱序的納米晶。

　　進一步的原位高溫、高壓電阻測試表明，該金屬玻璃的性質也可以實現與結構轉變一致的雙向調控。

　　這些結果表明溫度、壓力對金屬玻璃Ce65Al10Co25的結構起到了一個有效的雙向調制的作用。同時，研究人員在其他組分的金屬玻璃中也發(fā)現了類似的溫度壓力雙向調控現象。

　　曾橋石及其團隊長期致力于金屬玻璃的高壓—高溫結構和物性的原位研究。他們曾首次在大塊金屬玻璃中發(fā)現了電子結構變化起因的壓力誘導多形態(tài)現象；也通過室溫下高壓誘導單晶晶化，揭示了金屬玻璃的無序結構中能包含長程拓撲序的可能；金屬玻璃的廣泛原位壓縮實驗揭示了其密度和原子結構在壓縮過程中符合一個2.5次方冪函數的反常關系。

　　本項目得到中科院物理所、美國阿貢國家實驗室和芝加哥大學合作者，以及中國自然科學基金委的大力支持。

壓力傳感器、壓力變送器