【中玻網(wǎng)】非晶合金，又稱(chēng)金屬玻璃，是由金屬鍵主要的原子玻璃體系，它具有類(lèi)似于硬球堆積的微觀(guān)結構，為探索非晶態(tài)材料的基本物理問(wèn)題提供了有代表性的模型；非晶合金無(wú)序結構所帶來(lái)的優(yōu)異力學(xué)、物理和化學(xué)性能，使其在很多高新技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應用前景。與其他玻璃的形成一樣，非晶合金是通過(guò)快速冷卻高溫合金熔體，舒緩結晶并在一定溫度時(shí)發(fā)生玻璃轉變(Glass Transition)而形成的。玻璃轉變是與非晶合金的形成、微觀(guān)結構與宏觀(guān)物性等密切相關(guān)的物理過(guò)程，但其本質(zhì)并不能通過(guò)傳統的熱力學(xué)相變理論描述，是當前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)所面臨的巨大挑戰之一。傳統意義上的熱力學(xué)相變一般都會(huì )對應結構序參量的明顯變化，但合金熔體在快速冷卻過(guò)程中其動(dòng)力學(xué)急劇慢化（粘度和結構弛豫時(shí)間在幾十度的溫區內增加十幾個(gè)量級），但通過(guò)各種衍射方法測得的微觀(guān)結構特征變化卻微乎其微。如何理解過(guò)冷液體動(dòng)力學(xué)慢化及玻璃轉變的微觀(guān)結構起源，是非晶合金領(lǐng)域當前亟需解決的核心問(wèn)題之一。近十多年來(lái)，發(fā)現隨溫度降低，其動(dòng)力學(xué)行為變慢的同時(shí)也伴隨著(zhù)特殊局域幾何結構特征（短程序）的演化，有人進(jìn)而嘗試建立合金熔體中短程幾何結構序與慢動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)聯(lián)，將其解釋為慢化動(dòng)力學(xué)的結構起源。

圖1受限狀態(tài)下過(guò)冷液體慢動(dòng)力學(xué)特征與局域幾何結構無(wú)關(guān)。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心較端條件物理要點(diǎn)實(shí)驗室汪衛華研究組博士生胡遠超和北京計算科學(xué)研究中心研究員管鵬飛，香港城市大學(xué)教授楊勇及新加坡南洋理工大學(xué)博士后李艷偉合作，對此提出異議，發(fā)現受限狀態(tài)下的非晶合金過(guò)冷液體中慢動(dòng)力學(xué)與短程幾何結構序（特征原子團簇）之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)；構建了慢動(dòng)力學(xué)與原子構型本征關(guān)聯(lián)之間的耦合關(guān)系，并發(fā)現由該本征關(guān)聯(lián)定義的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度無(wú)論是在受限還是在非受限體系中，可對慢動(dòng)力學(xué)作普適描述，揭示了該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度在玻璃轉變中的主要作用。

　　通過(guò)對受限和非受限非晶合金過(guò)冷液體的計算模擬研究發(fā)現，在受限過(guò)冷液體中，其結構弛豫隨著(zhù)受限程度的增加而變慢，進(jìn)而實(shí)現動(dòng)態(tài)玻璃轉變，但其幾何結構短程序的特征（如二十面體等團簇的含量）卻基本保持不變（圖1）。該結果揭示了在受限體系中，慢動(dòng)力學(xué)和幾何結構短程序之間并未表現出其在非受限體系中所呈現的關(guān)聯(lián)性，表明幾何結構短程序（如二十面體團簇等）并不能作為非晶合金體系中玻璃轉變的微觀(guān)結構起源。這一結論也引伸出關(guān)系到玻璃轉變結構起源的核心問(wèn)題：能否找到與微觀(guān)結構相關(guān)的靜態(tài)參量來(lái)統一地描述受限和非受限非晶合金過(guò)冷液體中的慢動(dòng)力學(xué)？

圖2受限狀態(tài)下金屬玻璃過(guò)冷液體的慢動(dòng)力學(xué)由構型關(guān)聯(lián)得到的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度控制。

　　他們基于受限體系在結構弛豫過(guò)程中表現出的構型關(guān)聯(lián)，研究了不同條件下構型之間相似度隨時(shí)間的演化，發(fā)現了本征構型相似度與結構弛豫時(shí)間之間的耦合關(guān)系（圖2）；由該本征相似度出發(fā)，他們定義了靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度：反映過(guò)冷液體中的無(wú)序亞穩狀態(tài)（amorphous metastable states）的平均關(guān)聯(lián)長(cháng)度。研究發(fā)現該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度是控制受限體系中慢動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素（圖2）。根據有限尺度標度分析（finite-size scaling analysis），進(jìn)一步發(fā)現該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度也控制著(zhù)非受限非晶合金過(guò)冷液體的慢動(dòng)力學(xué)（圖3），說(shuō)明定義的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度可以同時(shí)描述受限和非受限非晶合金過(guò)冷液體中的慢動(dòng)力學(xué)，表明控制非晶合金過(guò)冷液體慢動(dòng)力學(xué)乃至玻璃轉變的關(guān)鍵結構因素并不是幾何結構短程序，而是反映構型間空間關(guān)聯(lián)的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度。此外，基于動(dòng)力學(xué)非均勻性定義的關(guān)聯(lián)長(cháng)度與靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度之間的差異表明過(guò)冷液體中的動(dòng)力學(xué)非均勻性可能并不是其慢動(dòng)力學(xué)的根源，而是伴隨動(dòng)力學(xué)變化的本質(zhì)特征（圖3）。該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度的相關(guān)性質(zhì)可以從無(wú)序一級相變理論（random first-order transition theory）出發(fā)得到很好的解釋?zhuān)砻鞣蔷Ш辖鸩ＡмD變也具有一定的熱力學(xué)基礎，并非是一個(gè)純粹的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。該研究結果為更一體、深入地認識非晶合金的幾何結構序、了解玻璃轉變的本質(zhì)，以及建立玻璃轉變的統一理論提供了全新的視角，對推動(dòng)非晶合金的實(shí)驗研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的指導意義。該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度的提出為理解非晶合金玻璃轉變結構相關(guān)的起源提供了一縷曙光，但是否存在控制慢動(dòng)力學(xué)乃至玻璃轉變的純幾何結構序參量仍然是值得深入研究的重要科學(xué)問(wèn)題。目前在膠體和高分子體系中，人們已經(jīng)可以通過(guò)實(shí)驗手段來(lái)測量相應構型空間關(guān)聯(lián)，而對金屬玻璃體系，很難直接觀(guān)測原子尺度上的動(dòng)力學(xué)行為，因而新的實(shí)驗表征技術(shù)和方法的開(kāi)發(fā)是當前非晶合金研究的一個(gè)重要方向。

　　成果以Configuration correlation governs slow dynamics of supercooled metallic liquids為題發(fā)表在2018年《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)設立資金委、科技委、中科院及北京計算科學(xué)研究中心的資助。

　　圖3非受限狀態(tài)下金屬玻璃過(guò)冷液體的慢動(dòng)力學(xué)與靜態(tài)關(guān)聯(lián)長(cháng)度之間的有限尺度標度關(guān)系。