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中科院物理所汪卫华院士课题组在玻璃态发现新的弛豫模式的分裂
05/31/2017
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对于自然界极其缓慢的流动现象的认识和理解始终充满着趣味,也具有重要的基础和

应用研究价值。大到地壳的运动,地质运动,小到微观原子排列无序的非晶态材料,

都发生着缓慢的流动,虽然很难被我们感知。我们如今赖以生存的稳定的地壳环境是

通过长达亿万年的地质缓慢流动而形成。这类极其缓慢的流变直接关系到重大工程安

全及地质灾害机理的认识和防治。 非晶态材料,比如玻璃,通常由液体的快速冷却形

成,其结构类似于液体,保持着长程无序排列,在常规的时间尺度下,其表现为固体。

但是非晶固体内部也发生着缓慢的流变行为。 中世纪教堂的古老窗户玻璃总是下部比

上部厚,就是因为玻璃在重力作用下的流动导致的。 上百年的沥青滴漏实验证明,

晶态沥青看上去虽是固体,但实际上是粘性极高的液体,它在室温环境下流动极为缓慢。

原子(或分子)的运动行为对于认识非晶态物质的凝聚状态至关重要,也是指导如何改

善非晶材料性能, 特别是力学性能的基础。在过冷液体中,很短时间内的局域原子重排

β 驰豫)与更缓慢的原子集团运动(α 驰豫)之间随着温度的降低发生分裂,这种驰豫

模式的分裂的发现对于理解过冷液体,以及随后的玻璃化转变和形成的玻璃材料的形变

行为至关重要。而在玻璃态,驰豫极为缓慢(时间尺度从小时到年的量级),这样大的

时间尺度, 在实验室里研究起来也非常困难。


最近,中国科学院物理研究所汪卫华研究组(EX4组)博士生罗鹏在汪卫华研究员、闻

平副研究员和白海洋研究员的指导下,以非晶合金(又称金属玻璃)为模型体系,在

常宽的温度和时间窗口下,通过测量在恒定应变下材料的实时力学响应,来有效探测其

缓慢的流动行为。


实验表明,在较高温度下,应力响应函数单调平滑地衰减。但是随着温度降低,在实

验开始30分钟左右,逐渐出现一个肩膀,而且随着温度进一步降低其越来越明显,表

现出两步驰豫行为(图1)。通过叠加的扩展指数方程对驰豫函数进行拟合得到特征速

率和指数(图2),可以看到,在低于玻璃转变温度的某处,发生明显的驰豫模式分裂

较快的模式表现出很弱的温度依赖,激活能只有不到0.1 eV,而且驰豫指数随着温度降

低逐渐增加并最终稳定在1.3~1.5。慢驰豫模式强烈依赖于温度,激活能约52 kBTg,驰

豫指数随着温度降低逐渐降低。随着样品退火老化,驰豫函数明显变化,慢驰豫模式

特征速率随着样品老化显著降低,而快驰豫模式不受老化影响(图3a)。驰豫过程的

特征参数不依赖于施加的应变,即使超过屈服点(图3b

1. 三种金属玻璃体系在不同温度下的应力弛豫函数,施加的拉伸应变为0.3%   

       

2. 拟合得到的弛豫速率(a)和指数(b

       

3. 不同退火时间(a)和施加应变(b)下的应力弛豫函数

玻璃材料处于无序和非平衡状态,从而必然存在原子尺度的内应力。以上结果表明,

玻璃态的驰豫过程分为两步:首先发生快驰豫模式,对应于原子尺度内应力驱动的类

弹道运动,此时系统被限制在势能阱中;随后体系越过能量势垒,发生更大尺度下动

力学不均匀的原子重排。这一新的动力学模式分裂的发现,拓展了我们对玻璃驰豫的

传统认知,进一步完善了从动力学角度对液体到玻璃态的凝聚过程的理解(如图4):

高温液体的流动经历两个过程,即原子(或分子)在由其相邻原子(或分子)构成的

笼子中振动以及随后逃离发生长程扩散;过冷液体出现新的驰豫模式分裂,即次级势

能阱之间可逆的局域重排事件(β 驰豫)和越过势能阱发生的不可逆原子集团运动(α 

驰豫);玻璃态驰豫极为缓慢,这恰恰使得局部内应力释放导致的类弹道运动与随后

缓慢的原子重排不再耦合,从而观察到分裂的动力学模式。              

               图4. 从高温液体到玻璃态凝聚过程的动力学模式Arrhenius

该结果表明,缓慢流动也并不简单,而是存在着远比我们想象丰富的内禀特性,只不过

这些现象被其长时间本质所隐藏而难以发现。


这项研究结果最近发表在 Physical Review Letters 118, 225901 (2017),并被选为编

辑推荐文章。同时美国物理学会“Physics”网站上发表了意大利比萨大学Simone

 Capaccioli教授和罗马大学Giancarlo Ruocco教授写的一篇题为“Relaxation is a

 Two-Step Process for Metallic Glasses”的观点(Viewpoint)”文章,对这项工

作做了详细的介绍和评论[30 May 2017 Physics 10, 58

https://physics.aps.org/articles/v10/58],他们认为这种两步驰豫现象的发现解

决了非晶驰豫和老化之间关系这一凝聚态物理难题,不但能帮助我们更加全面地理解

知之甚少的非平衡玻璃态动力学问题,而且有助于设计具有丰富功能特性和高稳定性

的玻璃材料。


上述研究工作得到国家自然科学基金项目(5157120951461165101)、973项目

2015CB856800)和中科院前沿科学关键研究项目(QYZDY-SSW-JSC017)的支持。


感谢中科院物理所汪卫华院士及团队供稿。