對于自然界極其緩慢的流變現(xiàn)象的認識和理解始終充滿著奧秘，也具有重要的基礎和應用研究價值。大到地殼板塊的運動，小到微觀原子排列無序的非晶態(tài)材料，都發(fā)生著緩慢的流動，雖然很難被我們感知。通過長達億萬年的地質緩慢流動形成我們賴以生存的穩(wěn)定的地殼環(huán)境。這類極其緩慢的流變直接關系到重大工程的安全及地質災害機理的認識和防治。非晶態(tài)材料，比如玻璃，通常由液體的快速冷卻形成，其結構類似于液體，保持著長程無序排列，在常規(guī)的時間尺度下表現(xiàn)為固體。但是非晶固體內部也發(fā)生著緩慢的流變行為。中世紀教堂的古老窗戶玻璃總是下部比上部厚，就是由玻璃在重力作用下的流動導致的。上百年的瀝青滴漏實驗證明，非晶態(tài)瀝青看上去雖是固體，但實際上是粘性極高的液體，它在室溫環(huán)境下流動極為緩慢。
原子（或分子）的運動行為對于認識非晶態(tài)物質的凝聚狀態(tài)至關重要，也是指導如何改善非晶材料性能，特別是力學性能的基礎。在過冷液體中，很短時間內的局域原子重排（β 馳豫）與更緩慢的原子集團運動（α 馳豫）之間隨著溫度的降低發(fā)生脫耦，這種馳豫模式的脫耦的發(fā)現(xiàn)對于理解過冷液體，以及隨后的玻璃化轉變和形成的玻璃材料的形變行為至關重要。而在玻璃態(tài)，馳豫極為緩慢（時間尺度從小時到年的量級），這樣大的時間尺度，在實驗室里研究起來也非常困難。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）汪衛(wèi)華研究組博士生羅鵬在研究員汪衛(wèi)華、副研究員聞平和研究員白海洋的指導下，以非晶合金（又稱金屬玻璃）為模型體系，在非常寬的溫度和時間尺度范圍，通過測量在恒定應變下材料的實時力學響應，來有效探測其緩慢的流動行為。實驗表明，在較高溫度下，應力響應函數(shù)單調平滑地衰減。但是隨著溫度降低，在實驗開始30分鐘左右，逐漸出現(xiàn)一個肩膀，而且隨著溫度進一步降低變得越來越明顯，表現(xiàn)出兩階段馳豫行為（圖1）。通過疊加的擴展指數(shù)函數(shù)對馳豫行為進行擬合得到特征速率和指數(shù)（圖2），可以看到，在低于玻璃轉變溫度的某處，發(fā)生明顯的馳豫模式脫耦，較快的模式表現(xiàn)出很弱的溫度依賴，激活能只有不到0.1 eV，而且馳豫指數(shù)隨著溫度降低逐漸增加并最終穩(wěn)定在1.3~1.5。慢馳豫模式強烈依賴于溫度，激活能約為52 kBTg，馳豫指數(shù)隨著溫度降低逐漸降低。隨著樣品退火老化，馳豫函數(shù)明顯變化，慢馳豫模式特征速率隨著樣品老化顯著降低，而快馳豫模式不受老化影響（圖3a）。馳豫過程的特征參數(shù)不依賴于施加的應變，即使超過屈服點（圖3b）也如此。
玻璃材料處于無序和非平衡狀態(tài)，必然存在原子尺度的內應力。以上結果表明，玻璃態(tài)的馳豫過程分為兩步：首先發(fā)生快馳豫模式，對應于原子尺度內應力驅動的類彈道運動，此時系統(tǒng)被限制在勢能阱中；隨后體系越過能量勢壘，發(fā)生更大尺度下動力學不均勻的原子重排。這一新的動力學模式脫耦的發(fā)現(xiàn)，拓展了人們對玻璃馳豫的傳統(tǒng)認知，進一步完善了從動力學角度對液體到玻璃態(tài)的凝聚過程的理解（如圖4）：高溫液體的流動經歷兩個過程，即原子（或分子）在由其相鄰原子（或分子）構成的籠子中振動以及隨后逃離發(fā)生長程擴散；過冷液體出現(xiàn)新的馳豫模式脫耦，即次級勢能阱之間可逆的局域重排事件（β 馳豫）和越過勢能阱發(fā)生的不可逆原子集團運動（α 馳豫）；玻璃態(tài)馳豫極為緩慢，這恰恰使得局部內應力釋放導致的類彈道運動與隨后緩慢的原子重排不再耦合，從而觀察到脫耦的動力學模式。
該結果表明，緩慢流動也并不簡單，存在著遠比我們想象豐富的內稟特性，只不過這些現(xiàn)象被其長時間尺度所隱藏而難以發(fā)現(xiàn)。
這項研究結果最近發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 225901 (2017)）上，并被選為編輯推薦文章。美國物理學會Physics網站上發(fā)表了意大利比薩大學教授Simone Capaccioli和羅馬大學教授Giancarlo Ruocco寫的一篇題為Relaxation is a Two-Step Process for metallic Glasses 的點評（Viewpoint）文章，對這項工作做了詳細的介紹和評論[30 May 2017 Physics 10, 58 http://physics.aps.org/articles/v10/58]，他們認為這種兩步馳豫現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)促進了非晶馳豫和老化之間關系這一凝聚態(tài)物理難題的解決，不但能幫助人們更加全面地理解知之甚少的非平衡玻璃態(tài)動力學問題，而且有助于設計具有豐富功能特性和高穩(wěn)定性的玻璃材料。
上述研究工作得到國家自然科學基金項目（51571209，51461165101）、“973”項目（2015CB856800）和中科院前沿科學關鍵研究項目（QYZDY-SSW-JSC017）的支持。
圖1. 三種金屬玻璃體系在不同溫度下的應力馳豫函數(shù)，施加的拉伸應變?yōu)?.3%。
圖2. 擬合得到的馳豫速率（a）和指數(shù)（b）。
圖3. 不同退火時間（a）和施加應變（b）下的應力馳豫函數(shù)。
圖4. 從高溫液體到玻璃態(tài)凝聚過程的動力學模式Arrhenius圖。
