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物理所等在非晶材料的动力学研究中取得进展

发布时间:2018-05-19 10:56:02

非晶态物质是一种微观结构长程无序、能量长期处于亚稳态的复杂多体相互作用体系。非晶态合金(又称金属玻璃)是50多年前发现的一类新型的非晶材料,它的发现极大丰富了金属物理的研究内容,日益成为凝聚态物理的研究前沿。非晶合金表现出很多独特的物理、化学性质,特别是块体非晶合金具有优异的力学性能,例如超高的强度和断裂韧性、高强度、低弹性模量等。块体非晶合金被认为是迄今为止发现的最强、最硬、最软、最韧的金属结构材料。尽管近年来在非晶合金方面涌现出大批的研究成果,但非晶合金中的一些基本问题仍然缺乏清晰的认识,例如非晶态转变的物理本质和非晶合金优异力学性能的物理本源等。目前的研究表明这些问题都与非晶合金中复杂的多重弛豫行为有关联。在非晶态合金形成过程中,存在长时结构弛豫与短时次级弛豫(弛豫)并存的多重动力学行为,次级弛豫的行为表征以及微观机制是目前非晶合金研究中的关键问题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室汪卫华研究组和北京理工大学吕勇军课题组合作,采用分子动力学方法研究了非晶CuZr合金薄膜的弛豫动力学行为。在非晶态合金的弛豫动力学研究方面取得新进展,揭示了二维非晶合金薄膜材料中次级弛豫形成的微观机理,发现在接近非晶态转变的过冷区域存在快慢两种亚模式。这种多尺度的弛豫行为一直延续到非晶态。模拟结果进一步表明,弛豫在非晶态转变温度附近存在着一个动力学转变。进一步的单粒子动力学分析发现转变前的弛豫主要是随机的、热激活的单粒子跳跃,转变后的弛豫主要是高度关联的协同跳跃,后者与应力不均匀性存在着内在联系,从而给出了非晶合金中弛豫的清晰物理图像。这些结果对认识非晶的本质、调控非晶材料的物理性质具有意义。

相关研究成果发表在近期的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 120, 155501 (2018)]上,该工作得到了国家自然科学基金委的资助和支持。

另外,汪卫华研究组和北京计算科学研究中心管鹏飞研究组与中国科学技术大学物理系教授徐宁研究组合作,发现了过冷液体的动力学非均匀性和脆度之间的定量关联性,并从恒定动力学非均匀性的角度出发给出了弛豫时间随温度变化的普适描述,揭示了过冷液体中动力学非均匀性与结构弛豫之间的内在关联性。研究分析发现,从恒定动力学非均匀性的角度出发,可以得到对各过冷液体结构弛豫的普适描述:对于不同类型的过冷液体,相同的动力学非均匀性状态下,可以得到各体系的特征时间尺度和特征温度,利用这两个特征参量可以很好地对所有过冷液体的弛豫时间和温度之间关系进行标度归一。这一研究结果表明,动力学非均匀性在认识过冷液体动力学特性,乃至对玻璃化转变本质的理解方面有着十分重要的地位。

相关研究成果发表在近期的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 120, 125502 (2018)]上,该工作得到了国家自然科学基金委、中科院的资助和支持。

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图1 非晶合金的多重弛豫

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图2 次级弛豫的两种机制

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图3 不同过冷液体的弛豫时间和温度之间归一标度图。

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