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

圖1受限狀態(tài)下過冷液體慢動力學特征與局域幾何結(jié)構(gòu)無關(guān)。

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

　　通過對受限和非受限非晶合金過冷液體的計算模擬研究發(fā)現(xiàn)，在受限過冷液體中，其結(jié)構(gòu)弛豫隨著受限程度的增加而變慢，進而實現(xiàn)動態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變，但其幾何結(jié)構(gòu)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(jié)果揭示了在受限體系中，慢動力學和幾何結(jié)構(gòu)短程序之間并未表現(xiàn)出其在非受限體系中所呈現(xiàn)的關(guān)聯(lián)性，表明幾何結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變的微觀結(jié)構(gòu)起源。這一結(jié)論也引伸出關(guān)系到玻璃轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)起源的核心問題：能否找到與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的靜態(tài)參量來統(tǒng)一地描述受限和非受限非晶合金過冷液體中的慢動力學？

圖2受限狀態(tài)下金屬玻璃過冷液體的慢動力學由構(gòu)型關(guān)聯(lián)得到的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度控制。

　　他們基于受限體系在結(jié)構(gòu)弛豫過程中表現(xiàn)出的構(gòu)型關(guān)聯(lián)，研究了不同條件下構(gòu)型之間相似度隨時間的演化，發(fā)現(xiàn)了本征構(gòu)型相似度與結(jié)構(gòu)弛豫時間之間的耦合關(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)長度：反映過冷液體中的無序亞穩(wěn)狀態(tài)（amorphous metastable states）的平均關(guān)聯(lián)長度。研究發(fā)現(xiàn)該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度是控制受限體系中慢動力學的關(guān)鍵因素（圖2）。根據(jù)有限尺度標度分析（finite-size scaling analysis），進一步發(fā)現(xiàn)該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度也控制著非受限非晶合金過冷液體的慢動力學（圖3），說明定義的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度可以同時描述受限和非受限非晶合金過冷液體中的慢動力學，表明控制非晶合金過冷液體慢動力學乃至玻璃轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素并不是幾何結(jié)構(gòu)短程序，而是反映構(gòu)型間空間關(guān)聯(lián)的靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度。此外，基于動力學非均勻性定義的關(guān)聯(lián)長度與靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度之間的差異表明過冷液體中的動力學非均勻性可能并不是其慢動力學的根源，而是伴隨動力學變化的本質(zhì)特征（圖3）。該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度的相關(guān)性質(zhì)可以從無序一級相變理論（random first-order transition theory）出發(fā)得到很好的解釋，表明非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變也具有一定的熱力學基礎(chǔ)，并非是一個純粹的動力學過程。該研究結(jié)果為更一體、深入地認識非晶合金的幾何結(jié)構(gòu)序、了解玻璃轉(zhuǎn)變的本質(zhì)，以及建立玻璃轉(zhuǎn)變的統(tǒng)一理論提供了全新的視角，對推動非晶合金的實驗研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的指導意義。該靜態(tài)關(guān)聯(lián)長度的提出為理解非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)相關(guān)的起源提供了一縷曙光，但是否存在控制慢動力學乃至玻璃轉(zhuǎn)變的純幾何結(jié)構(gòu)序參量仍然是值得深入研究的重要科學問題。目前在膠體和高分子體系中，人們已經(jīng)可以通過實驗手段來測量相應(yīng)構(gòu)型空間關(guān)聯(lián)，而對金屬玻璃體系，很難直接觀測原子尺度上的動力學行為，因而新的實驗表征技術(shù)和方法的開發(fā)是當前非晶合金研究的一個重要方向。

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

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