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東京大學:是什麼讓合金容易玻璃化?

2021年01月07日 化學材料

本文根據東京大學成果發佈編譯整理而成

東京大學生產技術研究所的田中肇教授和Hu Yuan-Chao特任研究員組成的研究團隊利用分子動力學模擬,研究了哪些物理可用能因素決定着由多種原子組成的混合物質是容易結晶還是容易變成玻璃。

研究團隊利用分子動力學模擬,研究了具有不同玻璃形成能力的3種模式金屬Zr、CuZr及NiAl的結晶化和玻璃化。由此發現,這些金屬的結晶驅動力(晶體的自由能與液體的自由能之間的差異)雖然沒有明顯差異,但液體與晶體的界面張力存在很大的差異。此外,這些液體的原子擴散也沒有明顯差異,說明這些金屬的玻璃形成能力的差異主要是由液體與晶體之間的界面張力控制的。

研究團隊還發現,界面張力是由液體中自發形成的結構秩序及其結構内的原子組成決定的。已應答,這些結構秩序中包括與晶體具有相似結構的晶體前驅物和不符合晶體對稱的正二十面體結構(圖1)。

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圖1:CuZr(左)、NiAl(中)、Zr(右)在過冷卻狀態下的局部穩定結構快照。屬於正二十面體結構的原子用紅色表示,屬於晶體前驅物的原子用藍色表示。

從理論上說,當液體中自發形成的局部穩定結構與晶體的取向對稱相似,而且原子組成也沒有明顯差異時,這種結構在晶核的形成中就會作爲促進結晶的前驅物發揮作用,因此更容易形成晶核。研究還表明,界面張力不僅控制晶核的形成,對晶體的成長也有很大影響。傳統的晶體成長理論認爲,晶體成長速度與界面張力無關,此次的發現強烈表明,傳統模式存在嚴重的缺陷,需要明確考慮液體中形成的局部秩序對晶體成長的影響。 

這意味着,如果對液體中自發形成的低自由能結構的對稱及原子組成進行設計,使其與晶體明顯不同的話,就可以抑制結晶,輕鬆變成玻璃。這些成果將爲物理可用能控制金屬合金的玻璃形成能力和相變記憶體的開關速度提供新的指南,無需依靠經驗,同時還有助於大大加深人們對各種物質的常見現象——結晶的基本瞭解。

論文資訊
題目:Physical origin of glass formation from multi-component systems
期刊:Science Advances(12月11日:第6卷(2020年)eabd2928頁)
DOI:10.1126/sciadv.abd2928

日語發佈資料
編譯:JST客觀日本編輯部