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， 非

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，在非

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 k_BT_g，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）。

图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%   

图2. 拟合得到的弛豫速率（a）和指数（b）

图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图

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)上,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（51571209，51461165101）、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。