曾橋石團隊實現(xiàn)溫度壓力雙向調(diào)控金屬玻璃結(jié)構(gòu)序

    北京高壓科學研究中心研究員曾橋石帶領(lǐng)的團隊通過高溫結(jié)合高壓的調(diào)控和原位檢測，實現(xiàn)了對金屬玻璃原子結(jié)構(gòu)序的有效雙向調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)的這種雙向調(diào)控揭示了金屬玻璃結(jié)構(gòu)態(tài)的豐富性和自由調(diào)控性，將推動對金屬玻璃結(jié)構(gòu)的理解和應(yīng)用。相關(guān)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(yīng)用前景，同時為玻璃態(tài)物質(zhì)的基礎(chǔ)研究提供了特殊的模型體系。

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

　　最近，曾橋石團隊在金屬玻璃的結(jié)構(gòu)序調(diào)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(xiàn)溫度、壓力能對金屬玻璃的結(jié)構(gòu)有序度進行有效的雙向調(diào)控。

　　該團隊仔細研究了溫度對金屬玻璃結(jié)構(gòu)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(xiàn)當金屬玻璃被加熱到玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上的放熱峰區(qū)域時，常規(guī)認為的玻璃晶化現(xiàn)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(xiàn)，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(shù)的震蕩信號在中程序區(qū)域得到相應(yīng)加強和擴展，表現(xiàn)出高度中程有序性。

　　同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)為一個不可逆的有序化轉(zhuǎn)變，并且該高度有序態(tài)樣品具有明顯提高了的玻璃轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)序的雙向調(diào)控

　　通過高分辨電鏡實驗，他們發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(zhì)也可以實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變一致的雙向調(diào)控。

　　這些結(jié)果表明溫度、壓力對金屬玻璃Ce65Al10Co25的結(jié)構(gòu)起到了一個有效的雙向調(diào)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(xiàn)了類似的溫度壓力雙向調(diào)控現(xiàn)象。

　　曾橋石及其團隊長期致力于金屬玻璃的高壓—高溫結(jié)構(gòu)和物性的原位研究。他們曾首次在大塊金屬玻璃中發(fā)現(xiàn)了電子結(jié)構(gòu)變化起因的壓力誘導多形態(tài)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在壓縮過程中符合一個2.5次方冪函數(shù)的反常關(guān)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