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看了这篇文章,我终于懂了非晶物理的世界【易科学】

中国科学院物理研究所的汪卫华院士

大自然中存在着丰富多彩、各种各样的物质,如果不考虑它们宏观性质的差异,根据其微观结构的特点就可以把物质大致可以分为两类:一类是有序结构的物质,另一类是无序结构的物质。这里的“序”是从微观原子排列角度上来说的,从字面上来看是指原子排列有一定的秩序,从物理角度来看是指原子的排列具有长程的平移对称性或旋转对称性。

非晶态物质有很多的特征。其特征之一是普遍性;在自然界和人们的日常生活中非晶态物质几乎涉及我们生活的方方面面,比如自然界中随处都可见的树脂、琥珀等令人惊叹的自然艺术品,非晶态半导体、非晶态电解质、非晶态离子导体、非晶态超导体和非晶态合金(金属玻璃)等新型非晶态物质。我们日常生活中常见的透明玻璃、塑料、橡胶、食品等等几乎都属于非晶态物质这个大家族。非晶态物质第二个特点是复杂性。非晶是由大量的原子组成的多体系统,而原子排列的无序性又使得这类系统呈现复杂性的特征,许多在晶态物质中没有发现的新奇现象也在这类物质中呈现出来。非晶态物质另一个重要特征是其结构和性能和时间密切相关。由于处于亚稳态,很容易受到周围环境比如温度、压强等的影响,使得原子总是自发地向着有序排列的晶态结构靠拢,这就会表现出结构弛豫的现象,因此,时间这个潜在的因素对于非晶态物质来说要比晶态物质更加重要。

液体和熔体变为玻璃的过程称为玻璃转变,它是各种玻璃制造中几乎都涉及到的一个不可缺少的过程。尽管到目前为止人们还不能真正地理解玻璃转变本质,但玻璃化转变过程涉及到自然界的很多现象,给有生命的与无生命的物质带来许多奇妙的现象和结果。例如科学家通过对德干火山岩(即玄武岩)中玻璃的痕迹的分析,发现可能是火山喷发中喷涌到大气中的硫、氯,导致了大范围的物种包括恐龙灭绝;另一方面,由于玻璃化过程并没有破坏液体的结构,所以可以用来保存新鲜食物(速冻食品),甚至可以短时间保存人类的器官。玻璃化冷冻能使保护液在短时间内呈玻璃态,可以避免细胞内冰晶形成所导致的伤害以及细胞外界引起的渗透压影响,对生物细胞造成的伤害会明显减少,从而达到保鲜的效果。玻璃化冷冻方法的应用:

a)速冻草莓

b)生物体的玻璃化冷冻

在非晶态物质中,存在两个很奇妙的“粒子”状态由扩展态到局域态的转变。第一个转变是玻璃化转变,即由液态直接转变为非晶态固态,这里的粒子就是指组成非晶态物质的原子,在这种转变中,原子的迁移率经历了剧烈的变化,宏观上表现为粘度发生十几个的数量级变化。第二个是安德森转变,是指非晶态物质中的电子通过一种微妙的结构无序所导致的金属与绝缘体之间的转变,在这种转变中,电子波函数经历了从扩展特性到定域特性的变化。这两种局域性质向传统的凝聚体理论提出了挑战,加深了我们对于物质的微观结构和电子结构的理解。

非晶材料已经发展成为航天、航空、信息等高技术和高档手表、手机、手提电脑等时尚品争相选用的时尚材料.特别是作为兼有玻璃、金属,固体和液体特性的新型金属材料–金属玻璃的发明,创造了金属材料的很多记录:比如,非晶合金是迄今为止最强的金属材料和最软的金属材料之一(最强的Co基非晶合金的强度高达到创纪录的6.0 GPa,最软的Sr基非晶合金的强度低至300 MPa);非晶合金是迄今为止发现的最强的穿甲材料,最容易加工成型的金属材料,最耐蚀的金属材料,最理想的微、纳米加工材料之一;非晶合金还具有遗传、记忆、软磁、大磁熵等特性.非晶材料的迅猛发展也为研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系.近十几年来,非晶合金材料的发展和应用把非晶结构、物理性能及相关的物理问题的研究推向凝聚态物理和材料科学领域的前沿.

能任意变形的金属塑料与最强的穿甲材料——金属玻璃

非晶态物质没有长程结构序的物态,经典的凝聚态物理的范式和理论基本不能用于理解和描述这类广泛存在的物态。非晶态物质及其过冷液态中粒子的强关联作用导致极端和奇异的宏观物理性质,如玻璃转变、阻塞、流变局域化、复杂的动力学行为、振动态密度的奇异性、接近理论极限的强度、奇特的断裂行为等。如何描述和理解这些行为对传统凝聚态理论提出了挑战。2005年《科学》杂志在创刊125周年之际提出了125个科学前沿问题。其中玻璃化转变和玻璃的本质被认为是最具挑战性的基础物理问题和当今凝聚态物理的重大前沿之一。因此,非晶态物理一直是凝聚态物理研究的前沿课题。与非晶态相关的研究已产生3次诺贝尔物理奖,1次诺贝尔化学奖。

2005年《科学》杂志在创刊125周年之际提出的125个科学前沿问题中第47个问题:玻璃态物质的本质是什么?

近年来开发出的非晶合金材料在强度、硬度、韧性、超塑性成型、软磁、耐磨、耐腐蚀、抗辐照等方面具有显著优于常规金属材料的特质,在高技术、国防、信息和能源领域等方面的有重要应用前景。

从生产生活到前沿科技,诸多优异性能使非晶态合金具有重要的应用前景

非晶态合金材料揭开了非晶物理研究的全新篇章,为发现新非晶材料、新效应和新物态,建立新的理论提供了契机,充满着惊奇、机遇和挑战。另一方面,非晶材料的探索方式也不同于传统探索材料的方法。传统探索新材料的方法主要是通过改变和调制化学成分,调制结构及物相、调制结构缺陷来获得新材料。而非晶材料则是通过调制材料的“序”或者“熵”来获得的新材料。如非晶合金就是典型通过快速凝固或者多组元不同元素的混合,引入“结构无序”而获得的高性能合金材料。通过改变和调制“化学序”也可获得性能独特的新材料,无序高熵合金就是近年来采用多组元混合引入“化学无序”获得的新型材料。这种通过调制材料的构型“序”或者“熵”的方法将会使得更多类似非晶新材料的发现,其基本的物理机制更值得关注和深入研究。

《物理学报》近期出版了“非晶物理研究进展”专辑,从物理、材料、力学、模拟、实验和理论诸方面,以不同的视角综述介绍非晶材料和物理的最新进展、问题、现状和展望,希望能帮助读者系统了解非晶物理及材料领域的最新进展。

编辑:J.C.

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