超稳态金属玻璃的抗老化特性


      近日,德国哥廷根大学的Konrad Samwer课题组和法国里昂大学/欧洲同步辐射中心(ESRF)的Beatrice Ruta研究员合作,在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Anti-Aging in Ultrastable Metallic Glasses”。文章第一作者为哥廷根大学的Martin Lüttich博士。文章通过X射线光子相关光谱,从原子尺度研究了超稳态金属玻璃的稳定性。作者发现原子尺度的超稳定性是致使超稳态金属玻璃比传统极冷方法制备的非晶合金具有更慢弛豫动力学的原因。在接近玻璃转变点处,出现一个动力学奇异的增速。这一奇特现象叫做反老化,可在势能图景框架下进行理解。对所有样品,结构弛豫过程可以被描述为密度涨落的极度压缩态,不会受到热处理的影响。


超稳态非晶合金样品UMG的动力学变化


       由于优异的热力学和动力学稳定性,超稳态玻璃已成为非晶态物质中极具潜力的新材料。其制备过程是使得超稳定性存在的直接原因:相比于传统玻璃,超稳态玻璃在势能图景中处于更低状态,这是制备过程(气相沉积)过程中,原子运动能力增强的结果。在有机体系中获得首个超稳态玻璃后,于海滨等用气相沉积方法,制备首个超稳态金属玻璃(UMG)。传统的金属玻璃凭借其弹性、硬度和耐蚀性等方面的优异性能,被视为在工程技术领域应用的理想对象。美中不足是金属玻璃这类材料在使用过程中,会发生弛豫从而性能自发演化,这一现象叫做物理老化。超稳态有机玻璃的宏观研究显示,该体系中不存在物理老化现象,然而,从微观角度直接的相关信息还未得到报道。

超稳态非晶合金样品弛豫动力学表征


       文章中指出:由于超稳定金属玻璃(UMGs)有望解决传统金属玻璃的稳定性问题,其研究具有特殊的意义。通过x射线光子相关光谱学,我们研究了原子水平下UMGs的稳定性。我们在原子水平上发现了超能力的清晰的特征,这导致了对传统的(快速淬火的)金属玻璃的缓慢的松弛动力学,并且在一个特殊的加速度的动力学附近的Tg退火。这一令人惊讶的现象,称为抗衰老,可以在潜在的能量景观的框架中被理解。对于所有的样品,结构弛豫过程可以用高度压缩的密度波动的形状来描述,不受热处理的影响,也不考虑玻璃的超能力。


       文章呈现了对超稳态金属玻璃在原子尺度下弛豫过程的详细研究。不同于传统的金属玻璃,超稳态金属玻璃是最稳定的非晶态物质,在玻璃转变点附近预退火出现显著的抗老化效应。这一效应在传统金属玻璃中并不存在,从而为超稳态玻璃的奇异特性又增加了一笔。

原文题目:Anti-Aging in Ultrastable Metallic Glasses



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