过冷液体和金属玻璃的结构与动力学研究

发布时间：2020-09-10 13:03

　　当合金熔体被快速冷却到足够低的温度而不发生晶化时,它就会转变为玻璃态固体。与晶化机制不同,过冷液体因其动力学急剧变慢最后导致结构弛豫时间大于实验观察时间尺度而失去平衡态形成金属玻璃。虽然动力学变化显著,但是玻璃转变过程并不伴随着明显的可以被实验观察到的结构演化。金属玻璃具有类似液体的无序结构,同时具有固体的抗剪切能力,被认为是‘冻结的液体’。因此金属玻璃固体的性质与其过冷液体有较大关系。理解玻璃转变的机制或过冷液体的结构与动力学之间的关系对深入认识金属玻璃和开发新应用具有重要的意义。本文主要使用分子动力学模拟方法对过冷液体和金属玻璃的结构和动力学进行了一系列研究。在不同的金属玻璃体系中,提出使用几何结构参数局域五次对称性来理解金属玻璃体系熔体在超宽温区的动力学特征。通过从原子运动能力,结构空间关联和热力学等角度阐述局域五次对称性的意义建立了它与动力学转变,斯托克斯-爱因斯坦关系失效及其分数形式的出现,动力学非均匀性和慢动力学的关联。发现局域五次对称性是金属玻璃体系中较为普适的可以表征各种动力学特性的结构参量,但并非动力学的结构起源。通过详细研究过冷液体在高压下的结构和动力学特征,发现压强也是可以控制金属玻璃形成的热力学变量。虽然等压冷却和等温压缩都可以导致玻璃转变,但是它们对局域配位结构和脆度的影响不同。通过分析高阶动力学关联函数,直接证实了动力学的不均匀性,即快原子区和慢原子区同时存在。这些不同区域的关联长度随着温度降低增加,并与结构弛豫时间之间符合相同的指数形式关系。虽然所研究的金属玻璃在热力学上不属于强关联体系,但是其结构和动力学遵循相同的密度标度律,表明它们具有标度不变性。通过研究使用原子钉扎技术构建的受限体系,发现虽然特殊局域几何结构在阻碍晶化上具有重要意义,但它们并不是慢动力学的结构起源。根据静态构型的关联表征的静态关联长度才是控制慢动力学的关键因素,而非各种动力学关联长度。虽然动力学不均匀性始终伴随着慢动力学,但是它并不是慢动力学的起源而是必然结果。该静态关联长度可以从无序一级相变理论很好地理解。最后,提出使用等构型系综平均和原子钉扎相结合的新方法来表征金属玻璃原子尺度的结构不均匀性。发现可以根据原子对应力的响应的统计很好地表征出软区和弹性基底。通过分析这些区域的空间分布发现软区呈椭球形而非球形,其关联长度接近剪切转变区。这些软区具有较高的原子势能,较大的自由体积和原子应力,所以较为不稳定,是金属玻璃形变中塑性事件的承载者。并发现键对取向序对理解金属玻璃的结构不均匀性具有重要的意义。利用金属玻璃的本征结构不均匀性,探索了其在对微观结构变化敏感的催化方面的功能应用特性。发现相比于众多晶体催化剂,多组元钯基金属玻璃在电化学分解水制氢反应中具有较高的催化活性和稳定性。这些优异的催化性能起源于金属玻璃表面的结构不均匀性提供的丰富的催化活性位点,说明金属玻璃在催化领域具有巨大的应用潜力,为开发下一代高效催化剂奠定了基础。这些研究结果对揭示玻璃转变的本质,认识金属玻璃形变失效的起源以及开发金属玻璃的功能应用具有重要意义。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139.8
【部分图文】：

液体,弛豫时间,玻璃转变,特征温度

何来理解这两个过程呢？不同的液体体切弛豫时间。例如，液体在 Tm时的果观察时间小于的话，每种液体都于玻璃处于非平衡态，它的性质会随着系中异常重要。那么从时间尺度的概念上论理论，在过冷液体中通过热涨落（成分起样体积的液体更加稳定。如果假设液体和么总体的自由能降低为（d 为空间维界面的差异产生的界面能会引起自由能。因此晶核形成所引起的自由能变化为

玻璃形成液体,变化特征,粘度,过冷液体

图 1.2 不同玻璃形成液体的粘度随着温度的变化特征[14]。Figure 1.2 Angell plot of different glass-forming materials[14]液体在实验中较难测量，而且普通测量得到的往往是原子尺度的动力学特征。因此，过冷液体的动力学行模拟，如分子动力学模拟和第一性原理计算。下面我绍过冷液体的动力学特征。需要强调的是，过冷液长的时间（超过）整个体系会由于热涨落而发生态性质的时候，需要保证模拟时间远远大于体系结构间，即。表征过冷液体动力学最常用的（mean-squareddisplacement），即原子经过一段时间 х ( ) = щ ě ( ) ě ( ) ，……………

不均匀分布,玻璃形成液体,均方位移,演化规律

1.3(b)所示。它的变化趋势对应着均方位移出现一个平台，体系的弛豫行为由单步弛 β 弛豫和长时间的 α 弛豫。平台的长度会应来理解。在计算机模拟中，结构弛豫时间) = Ъ 。 ( )的另外一个重要特征是 ) = ( Ъ ) 来拟合 α 弛豫，我区间始终小于 1.0。这表明整个体系不同原有一个分布。也就是说，体系呈现动力学存在争议。有两种情况都可以造成整体的型的，但是分布是不均匀的，所以造成整间的不均匀分布，每个区域的弛豫本身就弛豫行为的探测技术将为该问题提供新的

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