來源：【中國科學院】
根據(jù)原子運動狀態(tài)的不同，物質通常可分為固、液、氣三種狀態(tài)。三態(tài)之間有明顯區(qū)別，例如，液態(tài)的水和固態(tài)的冰，固液兩相即使充分混合仍會存在清晰的邊界。然而，一些最新的研究卻挑戰(zhàn)我們對物態(tài)的基本認識，即在極端條件或特殊體系中，單相的物質可以處于既是固態(tài)也是液態(tài)的奇異狀態(tài)，也就是固體中存在部分可以像液體一樣擴散的原子。例如，冰在高溫高壓下（如天王星、海王星等冰巨行星的內(nèi)部）處于一種奇異的超離子態(tài)，氧原子固定在平衡位置附近振動，氫原子則可以像在液體中一樣自由擴散。地球核心也可能處于超離子態(tài)，鐵原子組成了固體的地核，碳氫氧等輕元素則可以在其中快速流動?？茖W家追求的更加安全高效的全固態(tài)鋰電池的核心問題之一——使鋰離子在固體中能夠像在液體電解質中一樣快速穿梭。因此，這種固體中包含液體的現(xiàn)象吸引著不同領域科學家越來越多的關注。
玻璃是特殊的固體材料，具有超強、超硬、堆積致密等典型的固體特性，以及如同液體一樣無序的原子結構，是典型的復雜體系。玻璃材料在生活中隨處可見，且人類使用玻璃已有上千年歷史，而科學家卻無法給出清晰的玻璃微觀結構和動力學圖像。盡管玻璃具有和液體類似的微觀結構，但一般認為其內(nèi)部原子均已失去像液體一樣大范圍運動的能力，故玻璃通常被稱為凍結的液體。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室研究員白海洋聯(lián)合中國人民大學教授李茂枝，帶領物理所博士研究生常超、趙睿和博士后張華平等，運用動態(tài)力學實驗、納米壓痕測試和分子動力學模擬等多種動力學研究手段，發(fā)現(xiàn)金屬玻璃等緊密堆積的玻璃固體中存在繼承了高溫液體動力學行為的類液原子。這些類液體原子沒有被凍結，在室溫下可快速地擴散，有效粘度只有107帕秒，比金屬玻璃在Tg的粘度低了至少6個數(shù)量級。這一發(fā)現(xiàn)突破了玻璃的傳統(tǒng)微觀圖像，揭示了金屬玻璃部分固體、部分液體的本質。
實驗上，直接觀測原子的運動頗為困難。該研究中，實驗人員使用動力學激發(fā)的方式去探究玻璃內(nèi)部的原子運動。當外加擾動的頻率與內(nèi)部原子運動的頻率相當時，原子運動與外場發(fā)生共振吸收，從而在實驗中能測量到特征的損耗峰。研究重點關注金屬玻璃在低溫下出現(xiàn)的損耗峰，即快弛豫峰（圖1）。這一動力學模式比以往觀察到的玻璃內(nèi)對應原子大范圍運動的α弛豫以及對應局域運動的β弛豫均要更快，即金屬玻璃中存在超出傳統(tǒng)認識的運動更快的原子。研究對大量不同體系動力學激活能的測量表明，快弛豫的激活能和高溫液體動力學的激活能保持一致（圖2）。研究對比不同弛豫過程的弛豫時間發(fā)現(xiàn)，高溫液體的動力學和玻璃固體中的快弛豫滿足相同的Arrhenius關系（圖3），意味著在液體冷卻過程中，高溫液體的動力學模式?jīng)]有被完全凍結，一些原子可延續(xù)高溫液體的Arrhenius關系至玻璃固體中，導致玻璃固體室溫下的超快滯彈性和低溫下的快動力學耗散峰。進一步，研究使用分子動力學模擬詳細表征了La-Al體系中類液原子的運動特征和繼承過程。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下部分具有局部無序拓撲環(huán)境的Al原子會發(fā)生類似熔化的長程擴散行為，并呈現(xiàn)出鏈狀運動的特征（圖4）。這種鏈狀運動在高溫液體中已產(chǎn)生（圖5），且隨溫度降低越來越顯著，直至在玻璃固體中表現(xiàn)為低溫下的快動力學模式，意味著類液原子的繼承本質上是對鏈狀運動模式的繼承。
對于金屬玻璃中類液原子的研究，加深了科學家對于玻璃本質的認識，即玻璃態(tài)其實是一種部分是固態(tài)、部分是液態(tài)的奇異狀態(tài)。這種新的物理圖像澄清了玻璃在低溫下快弛豫模式的起源，并將有助于構建玻璃的動力學-性質關系。例如，這些類液原子會導致金屬玻璃室溫下明顯的滯彈性行為，并很可能與金屬玻璃的塑性變形密切相關。此外，金屬玻璃中類液原子和結構無序的關聯(lián)也對探索其他固體物質中的超快擴散帶來啟發(fā)，如超離子態(tài)的結構起源、固體電解質的離子遷移等。
8月15日，相關研究成果以Liquid-like atoms in dense-packed solid glasses為題，在線發(fā)表在Nature Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃、中國博士后科學基金的支持。
論文鏈接
圖1.動態(tài)力學譜檢測到快弛豫過程
圖2.快弛豫和高溫液體的激活能的關聯(lián)
圖3.Y68.9Co31.1金屬玻璃的弛豫地圖
圖4.300 K下Al90La10金屬玻璃中類液原子的識別和表征
圖5.Al90La10系統(tǒng)中鏈狀擴散的繼承過程
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