清華新聞網4月22日電 玻璃在結構上不同于傳統認知的晶體或準晶，其原子或分子在三維空間呈長程無序排列，是一類廣泛存在于自然界和工程應用及我們日常生活中的重要材料，也是目前唯一無論理論或實驗技術都無法精确描述其原子/分子堆垛結構的最為複雜的一類材料。因此，玻璃态本質（包括玻璃結構和玻璃轉變行為）被科學界認為是21世紀人類需要解決的125個關鍵科學問題之一。在衆多玻璃材料家族中，金屬玻璃是金屬鍵占主導、結構最簡單的一類玻璃，成為研究玻璃态本質和玻璃轉變現象的最重要的模型材料之一。然而，科學工作者迄今對金屬玻璃結構和玻璃轉變行為的認識仍非常有限，缺乏能夠對其深入探究的技術手段和理論創新的切入點。但研究者普遍認為揭示玻璃-玻璃轉變行為對認識玻璃态本質這一重要科學問題具有重要科學意義。

近日，清華大學非晶研究團隊在金屬玻璃-玻璃轉變研究中取得了突破性進展，發現在NbNiZrTiCo高熵非晶合金（或稱高熵金屬玻璃）中在常規升溫條件下存在清晰的玻璃-玻璃轉變，并且伴随着類似于晶化轉變的顯著的熱量釋放（圖1a），而轉變前後均具有典型的非晶态結構。為了深入理解這種異常的玻璃-玻璃轉變行為并揭示其背後機理，清華大學邵洋副研究員、陳娜副研究員、姚可夫教授與北京高壓科學研究中心的曾橋石研究員和香港城市大學的劉錦川院士等開展了系統的合作研究，采用同步輻射（圖1d,e）、透射電子顯微鏡（圖1f,g,h,i）和三維原子探針等分析了玻璃-玻璃轉變前後的結構/性能變化，進一步證實了該金屬玻璃在轉變前後均為玻璃态結構，但發生玻璃-玻璃轉後，原子堆垛排列的短程/中程序結構發生顯著變化，證實該金屬玻璃從一種高能态玻璃轉變為一種具有超常熱穩定性的低能态玻璃。伴随結構上的顯著變化，該超穩定金屬玻璃材料的硬度和楊氏模量也分别提升近40%和10%，這為解決非晶合金領域長期存在的關鍵科學問題即如何構建金屬玻璃結構與性能關系并對金屬玻璃結構/性能進行有效調控提供了新的方法。研究團隊還發現高熵效應是誘導該金屬玻璃中出現玻璃-玻璃轉變的重要影響因素，提出了研制具有這種玻璃-玻璃轉變的高熵非晶合金的成分設計思路和經驗準則。并基于這一思路，在新設計的兩個高熵非晶合金中發現了類似的玻璃-玻璃轉變現象，證實了該經驗準則的普适性。研究結果為進一步研究玻璃-玻璃轉變和揭示玻璃态本質提供了理論依據和材料基礎，為解決世紀難題“玻璃态本質”帶來新的機遇。

圖1 原始态（a）和TA退火後（b）的NbNiZrTiCo高熵非晶合金的比熱（ΔCP）随溫度變化,(a)中綠色部分為玻璃-玻璃轉變放熱量；X射線衍射（c），同步X射線衍射(（d）、（e）)，高分辨透射電子顯微像和選區電子衍射（(f)、（h）：退火前後）、和高角環形暗場像分析（(g)、（i）：退火前後）

4月21日，上述研究工作以“高熵誘導的金屬玻璃中的玻璃-玻璃轉變”（High-entropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass）為題，發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。beat3652016級博士生栾亨偉、北京高壓科學研究中心2017級博士生張鑫、江蘇科技大學丁紅瑜博士（姚可夫課題組已畢業博士生）為論文共同第一作者，beat365邵洋副研究員、北京高壓科學研究中心曾橋石研究員，beat365陳娜副研究員和姚可夫教授為論文共同通訊作者。參加該研究工作的作者還包括香港城市大學劉錦川院士、栾軍華博士和餘晴博士，香港理工大學焦增寶博士，北京高壓科學研究中心張飛博士，北京大學已畢業碩士邵春霖，beat3652018級碩士楊宜潔、2020級博士生蔔亨通、2019級博士生王冉賓、2014級博士生谷佳倫。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、優秀青年科學基金項目、江蘇省青年基金和國家重點研發計劃項目的支持。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29789-1

供稿：beat365

編輯：李華山

審核：周襄楠