金属玻璃中的有序问题【2011最新science】

上一篇 / 下一篇  2011-06-21 22:03:08

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金属玻璃——由金属元素构成,但内部的原子又像玻璃一样无序排列。浙江大学材料科学与工程学系新结构材料国际研究中心蒋建中课题组的最新研究发现颇有一番哲学意味:有序中包含无序,无序中包含有序。他们发现,在高压状态下,看似无序的金属玻璃呈现出有序结构。相关论文《Long-range topological order in metallic glass》发表在6月17日美国《Science》杂志上,第一作者是浙大材料系新结构材料国际研究中心曾桥石博士后。

金属玻璃是近几十年来材料科学领域的“新贵”。上世纪60年代,美国加州理工大学的Duwez教授第一次在实验室制备出这种新型材料。金属玻璃具有比金属强度更高(目前世界上强度最高的金属材料是金属玻璃)、耐腐蚀、耐磨的优良性能,还有很高的弹性极限。金属玻璃做的手机外壳永远光亮如新,它做的高尔夫球杆能把球送到更远的地方,它还能被轻易地塑造成造型精巧的微小器件。

但是,金属玻璃内部杂乱无章的原子阵列阻碍了科学家对于材料性能认识和研发新型材料。1995年,凝聚态物理奠基人、诺贝尔奖获得者P.W. Anderson就曾在《Science》杂志上说:“有关对无序玻璃态认识的问题是目前凝聚态物理最重要也是最困难的问题之一。”这句话,曾桥石把他打印出来贴在自己的实验室里。在教育部长江学者蒋建中教授和美国国家科学院院士、浙江大学光彪讲座教授毛河光的指导下,他与美国乔治梅森大学的Hongwei Sheng博士、材料系兼职教授美国斯坦福大学Wendy Mao博士开展了合作研究。

“金属玻璃的原子排列就像操场上已经解散队列的同学,我们无法识别他们原来的队列是如何的。如果能找到一个方法,给他们一个‘口令’,让它们‘恢复’到刚刚解散的那一刻,或许就能看到有趣的现象。”曾桥石介绍,实验采用天然材料中最硬的金刚石,在实验室里对头发丝大小的一块金属玻璃样品进行“挤压”,因为受力面积小,压强可以达到25万个大气压,然后再在电子显微镜下观察他的原子排列。传统观念认为,金属玻璃的微观原子结构不存在长程有序,实验上从未有过相关报道。而课题组惊喜地发现,在一定条件下,长程拓扑序的确存在。

在无序的世界里寻找有序。从前,我们对于金属玻璃的结构认识太少,导致在制备材料的过程中基本凭经验摸索,进展相对缓慢。近些年来,由于计算机模拟和各种先进同步辐射X射线技术的应用,帮助了我们在实验室里有了进一步的发现。我们课题组曾成功地合成世界上最大尺寸的稀土基大块金属玻璃材料。这次我们又第一次揭示了金属玻璃中可以存在长程拓扑有序,改变了我们对玻璃结构的传统理解和认识,而且为玻璃结构的研究提供了一个全新的思路。”《科学》杂志审稿人评论这项成果是一项非常重要的发现,将在科学界产生广泛的影响。

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