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用局域五次对称性描述非晶合金微观结构和动力学演化的新方法

| 2015-11-06


李茂枝 研究组 供稿 


探索物质的微观结构与宏观性能之间的关系一直是凝聚态物理和材料科学领域的核心科学问题。对于非晶无序体系,由于其结构长程无序,无法采用现代晶体学的理论知识对其认识和理解,所以其微观结构和宏观性能的关系一直是科学难题。

事实上,五次对称性在非晶无序体系中是普遍存在的,已有的研究表明五次对称性在胶体体系和颗粒物质的玻璃转变过程中扮演着重要的角色,并且影响着体系的宏观性质。同样,非晶合金也具有五次对称性,非晶形成的过程可以看做五次对称性与晶体对称性之间的竞争。因此,五次对称性可能在非晶合金及液体的结构性能关系中起着关键的作用。因此,是否可以找到一种定量描述非晶合金中五次对称性的方法,建立非晶无序体系的微观结构与宏观性能之间的关系呢?

最近,中国人民大学物理系李茂枝研究组与中科院物理研究所汪卫华研究组合作,提出了一个定量描述非晶合金和液体微观结构局域五次对称性的参量W。他们利用该结构参量,采用分子动力学模拟方法,系统地研究了合金液体在玻璃转变过程中微观结构随温度的演化以及与合金液体的动力学之间的定量关系。他们发现,首先,该参量能够很好地描述合金液体在玻璃转变过程中很宽的温度范围内的局域结构演化行为(图1),说明该结构参量反映了合金液体微观结构的本质;其次,利用该结构参量可以建立合金液体的动力学行为与微观结构演化之间的定量表达式(图2),并且该定量表达式是普适的,从中可以理解玻璃转变过程中动力学的急剧变化的结构本质。这些研究结果表明玻璃转变不仅仅是一个动力学急剧变慢的过程,同时微观结构也发生了复杂的变化,为动力学的演化提供了微观结构基础。相关研究成果发表在2015年《自然》杂志子刊《自然-通讯》上“Five-fold symmetry as indicator of dynamic arrest in metallic glass-forming liquids”【Nature Communications 6, 8310 (2015)】。该研究工作得到了国家自然科学基金项目(51271197,51271195)和973项目的资助。