进展|合金的新状态——金属冰川玻璃的发现

冰川玻璃态作为一种新型的非晶态亚稳态，最早出现在1996。当时，基韦尔森在加州大学洛杉矶分校的研究小组发现，如果将一种分子液体亚磷酸三苯酯(TPP)保持在过冷液体范围内的特定温度下，TPP会转变成一种能量介于非晶态和晶态之间的新状态，即冰川玻璃态。这种转变称为冰川作用过程，属于一种液体向另一种成分相同的液体的结构转变(液-液相变)，其相变产物为冰川玻璃态。冰川玻璃态不仅具有无定形结构，还能像晶体一样熔化。冰川玻璃态具有与玻璃态完全不同的玻璃化转变温度、脆性、密度、反射率和分子结构。因此，研究冰川的玻璃态具有重要的科学意义和实用价值。

液态成形非晶合金属于简单的原子系统。近年来，关于该体系液-液相变的报道很多，但对液-液相变产物——金属冰川的玻璃态研究较少。有实验认为是“超稳定”，也有实验认为是纳米晶效应。分子动力学模拟表明，银液在其玻璃化转变温度附近等温退火后会转变为新的“G”相，在径向分布函数中为非晶态。同时，升温过程中“G”相出现明显的“吸热峰”；这些是冰川玻璃态的特征。

近日，在王伟华院士、白海洋研究员、孙永浩特约研究员的指导下，中国科学院物理研究所博士生/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室申杰以La-Ce基非晶合金为前驱体成功制备了金属冰川玻璃(图1为冰川相二十面体结构序列)。首先，他们制备了一种成分为La 32.5 Ce 32.5 Co 25 Al 10(原子百分比)的非晶态合金，发现样品在差热分析中出现了明显的放热峰(图2a)。随后，他们对加热过程进行了原位表征，发现新样品的硬度和结构发生了明显变化(图2b-d)，但转变产物仍为非晶态(图3)；通过在放热峰后快速冷却样品，他们发现样品具有新的玻璃化转变温度。这证明新样本可能是潜在的金属冰川状态。在这项工作中，研究小组利用闪光差示扫描量热仪(FDSC)研究了La 32.5 Ce 32.5 Co 25 Al 10非晶合金在一系列升温速率下的相变路径(图4)，发现当升温速率达到400-2000 K/s时，放热峰后会出现一个面积相当的吸热峰；从玻璃态到初始玻璃态的可逆转变可以通过调节吸收/释放峰后的冷却来实现，这排除了纳米晶效应。

金属冰川玻璃态的结构、序参量、热力学和动力学表征

冰川玻璃态的发现有力地支持了非晶合金存在液-液相变的观点，为研究金属液体的液-液相变提供了理想的体系，也为后续研究提供了理想的载体。

该工作已获中科院战略性先导科技项目(XDB30000000)、国家重点R&D计划(2018YFA0703603)、国家自然科学基金(11790 291，61999108)。51971239)和广东省自然科学基金(2019B0302010)。

相关研究成果发表在《物理化学快报》杂志上，并作为封面文章收录；专利受理:202010636902。X

纸质链接:

https://doi . org/10.1021/ACS . jpclett . 0c 01789