清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)高熵可誘導(dǎo)金屬玻璃發(fā)生玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變
玻璃在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)認(rèn)知的晶體或準(zhǔn)晶，其原子或分子在三維空間呈長(zhǎng)程無(wú)序排列，是一類廣泛存在于自然界和工程應(yīng)用及我們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾牧�，也是目前唯一無(wú)論理論或?qū)嶒?yàn)技術(shù)都無(wú)法精確描述其原子/分子堆垛結(jié)構(gòu)的最為復(fù)雜的一類材料。因此，玻璃態(tài)本質(zhì)（包括玻璃結(jié)構(gòu)和玻璃轉(zhuǎn)變行為）被科學(xué)界認(rèn)為是21世紀(jì)人類需要解決的125個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。在眾多玻璃材料家族中，金屬玻璃是金屬鍵占主導(dǎo)、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一類玻璃，成為研究玻璃態(tài)本質(zhì)和玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的最重要的模型材料之一。然而，科學(xué)工作者迄今對(duì)金屬玻璃結(jié)構(gòu)和玻璃轉(zhuǎn)變行為的認(rèn)識(shí)仍非常有限，缺乏能夠?qū)ζ渖钊胩骄康募夹g(shù)手段和理論創(chuàng)新的切入點(diǎn)。但研究者普遍認(rèn)為揭示玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變行為對(duì)認(rèn)識(shí)玻璃態(tài)本質(zhì)這一重要科學(xué)問(wèn)題具有重要科學(xué)意義。 zlzr;7m
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近日，清華大學(xué)非晶研究團(tuán)隊(duì)在金屬玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變研究中取得了突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)在NbNiZrTiCo高熵非晶合金（或稱高熵金屬玻璃）中在常規(guī)升溫條件下存在清晰的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變，并且伴隨著類似于晶化轉(zhuǎn)變的顯著的熱量釋放（圖1a），而轉(zhuǎn)變前后均具有典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。為了深入理解這種異常的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變行為并揭示其背后機(jī)理，清華大學(xué)邵洋副研究員、陳娜副研究員、姚可夫教授與北京高壓科學(xué)研究中心的曾橋石研究員和香港城市大學(xué)的劉錦川院士等開(kāi)展了系統(tǒng)的合作研究，采用同步輻射（圖1d,e）、透射電子顯微鏡（圖1f,g,h,i）和三維原子探針等分析了玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變前后的結(jié)構(gòu)/性能變化，進(jìn)一步證實(shí)了該金屬玻璃在轉(zhuǎn)變前后均為玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，但發(fā)生玻璃-玻璃轉(zhuǎn)后，原子堆垛排列的短程/中程序結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，證實(shí)該金屬玻璃從一種高能態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有超常熱穩(wěn)定性的低能態(tài)玻璃。伴隨結(jié)構(gòu)上的顯著變化，該超穩(wěn)定金屬玻璃材料的硬度和楊氏模量也分別提升近40%和10%，這為解決非晶合金領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題即如何構(gòu)建金屬玻璃結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系并對(duì)金屬玻璃結(jié)構(gòu)/性能進(jìn)行有效調(diào)控提供了新的方法。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)高熵效應(yīng)是誘導(dǎo)該金屬玻璃中出現(xiàn)玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變的重要影響因素，提出了研制具有這種玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變的高熵非晶合金的成分設(shè)計(jì)思路和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。并基于這一思路，在新設(shè)計(jì)的兩個(gè)高熵非晶合金中發(fā)現(xiàn)了類似的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，證實(shí)了該經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則的普適性。研究結(jié)果為進(jìn)一步研究玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變和揭示玻璃態(tài)本質(zhì)提供了理論依據(jù)和材料基礎(chǔ)，為解決世紀(jì)難題“玻璃態(tài)本質(zhì)”帶來(lái)新的機(jī)遇。 (lF;c<69
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圖1 原始態(tài)（a）和TA退火后（b）的NbNiZrTiCo高熵非晶合金的比熱（ΔCP）隨溫度變化,(a)中綠色部分為玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變放熱量；X射線衍射（c），同步X射線衍射(（d）、（e）)，高分辨透射電子顯微像和選區(qū)電子衍射（(f)、（h）：退火前后）、和高角環(huán)形暗場(chǎng)像分析（(g)、（i）：退火前后） ]bCeJE.+)
4月21日，上述研究工作以“高熵誘導(dǎo)的金屬玻璃中的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變”（High-entropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)材料學(xué)院2016級(jí)博士生欒亨偉、北京高壓科學(xué)研究中心2017級(jí)博士生張?chǎng)�、江蘇科技大學(xué)丁紅瑜博士（姚可夫課題組已畢業(yè)博士生）為論文共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院邵洋副研究員、北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員，清華大學(xué)材料學(xué)院陳娜副研究員和姚可夫教授為論文共同通訊作者。參加該研究工作的作者還包括香港城市大學(xué)劉錦川院士、欒軍華博士和余晴博士，香港理工大學(xué)焦增寶博士，北京高壓科學(xué)研究中心張飛博士，北京大學(xué)已畢業(yè)碩士邵春霖，清華大學(xué)材料學(xué)院2018級(jí)碩士楊宜潔、2020級(jí)博士生卜亨通、2019級(jí)博士生王冉賓、2014級(jí)博士生谷佳倫。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、江蘇省青年基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。 fI(u-z~,
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論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29789-1
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