文章来源：物理研究所

　　非晶合金，又称金属玻璃，是采用现代快速凝固冶金技术急速冷却高温合金熔体，避免熔体内部发生晶化而形成的新型合金材料。非晶合金具有许多优异的力学、物理和化学性能，良好的应用前景，有望成为新一代的金属材料，因此，非晶合金的形成、结构和性能的研究备受关注。与其他玻璃形成的液体一样，合金液体在快速冷却过程中动力学变得越来越慢，在数十度的温区内合金过冷液体的粘度（结构弛豫时间）增大十几个数量级，直到动力学被“冻结”，发生所谓的玻璃转变。然而，传统的结构表征技术不能揭示宏观结构的显著变化。如何解释过冷液体粘度或弛豫时间的急剧变化这一极为异常且又普遍存在的动力学特征是目前凝聚态物理面临的重要挑战之一。另一方面，在玻璃转变过程中，合金液体表现出异常的过剩比热（大于其对应的固态非晶比热）。目前普遍认为这是由结构涨落造成的，即液体中存在构型熵。然而构型熵的概念一直存在着争议，缺乏微观结构的基础和解析理论的推导。因此，探索这些奇特现象的微观结构起源一直是认识玻璃的本质和玻璃转变机制的核心科学问题。但是，合金液体结构复杂无序，是否存在一个简单的结构参量来描述玻璃转变过程的结构演化及动力学和热力学性质一直是人们关注的焦点。

　　合金液体和金属玻璃与合金晶体的一个本质区别是非晶合金和液体具有五次对称性。五次对称性在无序体系中是普遍存在的，已有的研究表明五次对称性在胶体体系和颗粒物质的玻璃转变过程中也扮演着重要的角色，并且影响体系的一些物理性质。定性的研究表明五次对称性在非晶合金和液体中起着非常重要的作用。2011年中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）汪卫华研究组与中国人民大学李茂枝研究组合作提出一个描述非晶合金微观原子结构特征的定量结构参数，局域五次对称性，并采用该参量作为结构特征指标来描述CuZr二元非晶合金的形变特征（图1），表明局域五次对称性结构参数在控制塑性形变的产生和扩展上是一个非常关键的因素。相关结果发表在Phys. Rev. Lett. 106, 135503(2011)。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）汪卫华研究组博士生胡远超和李茂枝研究组博士生李福祥合作，采用分子动力学模拟的方法系统研究了合金液体在玻璃转变过程中动力学的急剧变慢和过剩比热与微观结构的关联性，并采用该结构参量系统地研究了局域五次对称性随温度的演化（图2）以及与动力学和热力学性质的关联性。研究发现局域五次对称性这一简单的结构参量不仅能够描述非晶合金的变形特征，还能够很好地描述合金液体在玻璃转变过程中很宽的温度范围内的局域结构和动力学的演化行为。他们从合金液体的粘度和弛豫时间、原子运动能力、结构空间关联以及热力学的角度对该问题进行了系统的研究和分析，提出了一个普适的公式，建立了动力学行为与微观结构演化之间的定量关系（图3），为合金液体构型熵的演化提供了微观结构的依据，从局域五次对称性的角度，阐明了结构涨落与过剩比热之间的内在关联（图4）。这些发现表明玻璃转变不仅仅是一个动力学急剧变慢的过程，同时合金液体的微观结构也发生复杂的变化，为动力学的演化提供了结构基础。该研究结果对认识和理解金属玻璃的形成和本质，以及玻璃转变的微观机制有重要意义。相关结果以Five-fold symmetry as indicator of dynamic arrest in metallic glass-forming liquids 为题发表在2015年《自然》杂志子刊《自然·通讯》上【Nature Communications 6, 8310 (2015)】。

　　该项研究工作得到国家自然科学基金项目、“973”项目和中国科学院的资助。

图1 五次对称性较高的区域（黑色小球）对塑性形变（红色）有抑制和阻碍作用。

图2 不同合金液体中局域五次对称性参数在玻璃转变过程中的演化。

图3 在快速降温过程中，局域五次对称性参数的演化与粘度和弛豫时间的定量关系。

图4 合金过冷液体的过剩比热以及局域五次对称性参数随温度的变化率之间的对应关系。