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结构决定性能是有序固体广泛遵循的经典范式。而面向玻璃态等拓扑无序固体时,该范式变得扑朔迷离。近日,中国科学院力学研究所蒋敏强研究团队通过对玻璃弛豫的可控调制,发现了中程序结构决定快弛豫动力学。相关研究成果以Splitting of fast relaxation in a metallic glass by laser shocks为题,发表在《物理评论B》(Physical Review B)上。
玻璃态物质的弛豫动力学被认为是凝聚态物理领域最深奥、最具挑战性的未解难题。金属玻璃由于接近原子密堆结构,为研究玻璃弛豫提供了理想体系。研究发现,除普遍存在α主弛豫和β次弛豫外,金属玻璃在室温以下还存在时空尺度更小的快弛豫现象,且与低温塑性相关。这引起了国内外学者的关注,但快弛豫到底取决于玻璃的何种结构尚无定论。
该研究以典型锆基金属玻璃为模型材料,通过激光冲击强化(又称激光喷丸)和等温退火技术,对其快弛豫进行调制。实验发现,激光弹性冲击使玻璃的快弛豫β’峰劈裂出一个新的γ峰,而进一步的等温退火使快弛豫的双峰结构恢复为单峰β’。高温和低温比热测量显示,快弛豫的动力学劈裂对应于微弱的结构年轻化。研究基于高分辨电镜观测和同步辐射高能X射线衍射分析发现,激光冲击使近邻团簇通过棱边共享的中程序结构含量的增加,导致γ快弛豫的激活;近邻团簇通过面共享和相互贯穿形成的稳定中程序结构则对应β’快弛豫的激活;上述中程序结构重构可通过等温退火恢复到初始态。这种弛豫动力学与原子结构的对应关系,为探讨玻璃快弛豫的结构起源提供了证据。该研究发现快弛豫劈裂有助于改善玻璃的室温塑性。
研究工作得到国家自然科学基金国家杰出青年科学基金项目“非晶态固体力学”和基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题”等的支持。
玻璃快弛豫动力学劈裂的结构起源:中程序结构重构
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