@ 2019.03.04 , 11:00

液体结构或是金属玻璃形成过程中的核心奥秘

研究人员刚刚发现液体在某些情况下具有结构,在金属玻璃神秘和复杂的形成过程中,该结构发挥了显著的影响。

像塑料一样可塑,但像金属一样坚固,金属玻璃又称非晶态合金,既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病.如玻璃易碎,没有延展性。

大部分的金属在冷却时都会结晶,把它们的原子排列成有规则的图案——晶格 。但如果结晶不出现,原子便会随机排列,成为金属玻璃 。金属玻璃由复杂的多组分合金制成,并不透明。它们独特的性质恰来自于从液态冷却到固态时,材料原子随机排列的过程。但是,控制这一过程并充分利用这些材料已经被证明是十分棘手的工艺难题,因为冷却过程中所发生的一系列物理过程,对科学家来说还有很多未知之处。

发表在Nature Communications上的一项新研究揭示了部分答案。

由Caroline和Douglas Melamed机械工程与材料科学助理教授Judy Cha领导的研究团队发现,处于液态的金属玻璃会周期性地形成晶体结构——自由移动的原子将自身排列成某些图案。该事件发生在液态和固态的界面处——即,当熔融材料已部分固化时,紧挨着的液体部分形成独特结构,使得材料凝固的速度比其它情况快20倍。

“我们正在填补已知和未知间的鸿沟,”Cha说,他也是耶鲁大学西校区能源科学研究所的成员。“结晶科学属于非常成熟的研究领域,但很多基本的问题依然未有答案。”

研究人员使用透射电子显微镜实时观察纳米级金属玻璃棒的结晶过程。由于能够以原子尺度观察材料,他们发现如果液体形成结构,金属玻璃将以每秒15至20个原子的速率结晶。当它没有出现结构时,速率约为每秒3到5个原子。

Cha实验室的博士候选人和论文的第一作者Yujun Xie指出,后续的探索方向是进一步扩大新知识的应用范围。

他说:“是否能通过我们的研究去深入了解其他材料的形成过程,以及我们应该如何设计和控制其他材料的结构与生产?”

该研究的其他作者包括Sungwoo Sohn,Minglei Wang,Huolin Xin,Mark D. Shattuck,Corey S. O'Hern和Jan Schroers。

本文译自 phys,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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