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用局域五次對稱性描述非晶合金微觀結構和動力學演化的新方法

| 2015-11-06


李茂枝 研究組 供稿 


探索物質的微觀結構與宏觀性能之間的關系一直是凝聚態物理和材料科學領域的核心科學問題。對于非晶無序體系,由于其結構長程無序,無法采用現代晶體學的理論知識對其認識和理解,所以其微觀結構和宏觀性能的關系一直是科學難題。

事實上,五次對稱性在非晶無序體系中是普遍存在的,已有的研究表明五次對稱性在膠體體系和顆粒物質的玻璃轉變過程中扮演著重要的角色,并且影響著體系的宏觀性質。同樣,非晶合金也具有五次對稱性,非晶形成的過程可以看做五次對稱性與晶體對稱性之間的競爭。因此,五次對稱性可能在非晶合金及液體的結構性能關系中起著關鍵的作用。因此,是否可以找到一種定量描述非晶合金中五次對稱性的方法,建立非晶無序體系的微觀結構與宏觀性能之間的關系呢?

最近,中國人民大學物理系李茂枝研究組與中科院物理研究所汪衛華研究組合作,提出了一個定量描述非晶合金和液體微觀結構局域五次對稱性的參量W。他們利用該結構參量,采用分子動力學模擬方法,系統地研究了合金液體在玻璃轉變過程中微觀結構隨溫度的演化以及與合金液體的動力學之間的定量關系。他們發現,首先,該參量能夠很好地描述合金液體在玻璃轉變過程中很寬的溫度范圍內的局域結構演化行為(圖1),說明該結構參量反映了合金液體微觀結構的本質;其次,利用該結構參量可以建立合金液體的動力學行為與微觀結構演化之間的定量表達式(圖2),并且該定量表達式是普適的,從中可以理解玻璃轉變過程中動力學的急劇變化的結構本質。這些研究結果表明玻璃轉變不僅僅是一個動力學急劇變慢的過程,同時微觀結構也發生了復雜的變化,為動力學的演化提供了微觀結構基礎。相關研究成果發表在2015年《自然》雜志子刊《自然-通訊》上“Five-fold symmetry as indicator of dynamic arrest in metallic glass-forming liquids”【Nature Communications 6, 8310 (2015)】。該研究工作得到了國家自然科學基金項目(51271197,51271195)和973項目的資助。