客观日本

东京大学:是什么让合金容易玻璃化?

2021年01月07日 化学材料

本文根据东京大学成果发布编译整理而成

东京大学生产技术研究所的田中肇教授和Hu Yuan-Chao特任研究员组成的研究团队利用分子动力学模拟,研究了哪些物理因素决定着由多种原子组成的混合物质是容易结晶还是容易变成玻璃。

研究团队利用分子动力学模拟,研究了具有不同玻璃形成能力的3种模型金属Zr、CuZr及NiAl的结晶化和玻璃化。由此发现,这些金属的结晶驱动力(晶体的自由能与液体的自由能之间的差异)虽然没有明显差异,但液体与晶体的界面张力存在很大的差异。此外,这些液体的原子扩散也没有明显差异,说明这些金属的玻璃形成能力的差异主要是由液体与晶体之间的界面张力控制的。

研究团队还发现,界面张力是由液体中自发形成的结构秩序及其结构内的原子组成决定的。已确认,这些结构秩序中包括与晶体具有相似结构的晶体前体和不符合晶体对称性的正二十面体结构(图1)。

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图1:CuZr(左)、NiAl(中)、Zr(右)在过冷却状态下的局部稳定结构快照。属于正二十面体结构的原子用红色表示,属于晶体前体的原子用蓝色表示。

从理论上说,当液体中自发形成的局部稳定结构与晶体的取向对称性相似,而且原子组成也没有明显差异时,这种结构在晶核的形成中就会作为促进结晶的前体发挥作用,因此更容易形成晶核。研究还表明,界面张力不仅控制晶核的形成,对晶体的生长也有很大影响。传统的晶体生长理论认为,晶体生长速度与界面张力无关,此次的发现强烈表明,传统模型存在严重的缺陷,需要明确考虑液体中形成的局部秩序对晶体生长的影响。 

这意味着,如果对液体中自发形成的低自由能结构的对称性及原子组成进行设计,使其与晶体明显不同的话,就可以抑制结晶,轻松变成玻璃。这些成果将为物理控制金属合金的玻璃形成能力和相变存储器的开关速度提供新的指南,无需依靠经验,同时还有助于大大加深人们对各种物质的常见现象——结晶的基本了解。

论文信息
题目:Physical origin of glass formation from multi-component systems
期刊:Science Advances(12月11日:第6卷(2020年)eabd2928页)
DOI:10.1126/sciadv.abd2928

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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