作為一種處于非平衡態(tài)的新型非晶材料，金屬玻璃會經(jīng)歷結構弛豫向能量更低的平衡態(tài)演化，嚴重影響著金屬玻璃的穩(wěn)定性及其工程應用。然而，金屬玻璃在室溫下的弛豫機制仍不清楚。一方面，金屬玻璃的弛豫行為非常復雜，另一方面，金屬玻璃在室溫下的弛豫非常緩慢，傳統(tǒng)的實驗手段或模擬方法很難對其進行有效的測量或表征。
中科院物理所博士后孫奕韜、趙睿在松山湖材料實驗室主任汪衛(wèi)華院士和中國人民大學李茂枝教授的聯(lián)合指導下，對幾種典型金屬玻璃體系進行長時間尺度的分子動力學模擬，并利用循環(huán)應變加載技術加速金屬玻璃的弛豫，觀測到了金屬玻璃的室溫弛豫并進行了系統(tǒng)的表征。相關研究成果以“Distinct relaxation mechanism at room temperature in metallic glass”為題在Nature Communications上在線發(fā)表。
研究人員發(fā)現(xiàn)在玻璃轉變溫度以下，幾種典型金屬玻璃體系的弛豫動力學均呈現(xiàn)出以Kohlrausch–Williams–Watts(KWW)函數(shù)為特征的擴展指數(shù)衰減，并且特征擴展指數(shù)均為β≈3/7，而金屬玻璃在過冷液相中的弛豫行為則表現(xiàn)為的KWW衰減模式（圖1）。這些結果表明金屬玻璃在室溫下的弛豫具有普適性。進一步地，通過應力弛豫實驗發(fā)現(xiàn)，不同成分的金屬玻璃在玻璃轉變溫度以下的較大溫度范圍內都呈現(xiàn)以β≈3/7為特征的應力衰減，為金屬玻璃室溫弛豫的普適性提供了實驗證據(jù)（圖2）。通過對金屬玻璃體系內的空穴進行表征,發(fā)現(xiàn)空穴總體積隨著老化過程的演化也呈現(xiàn)出β≈3/7為特征的KWW動力學模式（圖3）。金屬玻璃在老化過程中的結構演化，可以認為是體積較大的空穴逐漸湮滅的過程。這些結果構建了無序體系從高溫簡單液體到室溫玻璃態(tài)的完整弛豫動力學圖像：隨著溫度降低，無序體系的弛豫機制從β=1簡單指數(shù)弛豫（簡單液體）逐漸演化到β~3/5擴展指數(shù)弛豫(過冷液體)，當溫度進一步降低，演化為以β=3/7為特征的玻璃態(tài)弛豫機制。這種具有明顯特征的玻璃弛豫機制為進一步理解玻璃和玻璃轉變的本質提供了新的證據(jù)。
該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中國博士后科學基金和材料基因組研究平臺等的資助和支持。
