Ce基金属玻璃高压下结构变化

　　金属玻璃，作为非晶态玻璃家族的“新”成员，仅有半个多世纪的研究历史。与传统的晶态金属材料相比，金属玻璃（非晶合金）具有长程无序、短程有序的结构。其特殊结构赋予这类新型合金许多特有的性能，如高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性、高电阻和优异磁学性能等。近年来金属玻璃的形成、结构和性能的研究，及其应用开发在世界范围内受到广泛的关注和重视。尤其是金属玻璃的微观结构的研究一直是材料科学和固体物理领域尚未解决的核心问题之一。同济大学一课题组在金属玻璃高压结构研究中取得重大突破，在Nature communications (2015)上发表了题为“Hierarchical densification and negative thermal expansion in Ce-based metallic glass under high pressure”的学术论文。 

　　图1 高压下金属玻璃结构转变示意图，图中最小的球是Ce原子，中等大小标记S的为以溶质原子为核心的原子团簇，标记为E的球是超大的原子团簇。 

　　该研究组利用原位高压同步辐射X射线衍射技术，在液氦和甲乙醇等作为传压介质的等静压条件下（到约500000个大气压），研究了三元Ce基金属玻璃的结构随压力的变化行为。在室温条件下，在一Ce基金属玻璃中进一步确认了从低密度非晶态---中等密度非晶态---高密度非晶态的非晶多形态转变现象，并分析了该非晶合金分等级的多形态转变（致密化过程）的内在机理。 一方面，Ce金属玻璃中压力导致4f电子局域到非局域化转变是诱导其非晶多形态转变的重要原因。这种电子结构导致的非晶多形态转变与传统非晶态物质（如二氧化硅、非晶态水等）在压力下发生的由于配位数增加而导致的结构重排调整的非晶多形态转变现象完全不同。另一方面，该项工作澄清了非晶结构中自由体积、中程序和短程序在其结构随压力变化过程中的不同贡献。发现从低密度非晶态到中等密度非晶态转变过程中，自由体积发生显著塌缩，中程序结构发生显著变化，而短程序结构变化不是很大。而在低密度非晶态---中等密度非晶态转变过程中，结构变化主要集中在短程序的变化。当温度升到靠近玻璃转变温度附近（390 K），发现其低密度非晶态---中等密度非晶态的转变呈现出相对不连续转变的行为，展示出类一级相变的特征，与在室温下的连续转变不同。此外，对比室温和390 K下高压结构的变化，研究发现该合金在一定的压力范围的中程序结构呈现反常的热膨胀行为。本项研究工作一方面表明金属玻璃在压力下可以展现出丰富多彩的结构和性能，压力作为重要参数引入金属玻璃的制备和后续处理工艺中必将进一步拓展其应用前景；另一方面该研究工作深化了金属玻璃及其相关液体的微观结构的认识，尤其是深化了人们对压力导致的非晶合金结构转变的内在本质的理解。