从玻璃到液体：非晶合金热膨胀系数的1.7倍变化

　　块体非晶合金材料因其优异的力学性能受到人们的广泛关注，但什么合金成分能够形成块体非晶合金是一个困扰了人们几十年的难题。统计结果表明，在已知的块体非晶合金成分中有99%的成分含有后过渡金属(Late Transition Metal)（图1）,指的是元素周期表中的VIII族和IB族元素。然而，形成块体非晶合金需要后过渡金属的原因至今尚不清楚。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX04组非晶团队的卢通博士和刘松灵博士研究生，在孙永昊特聘研究员和潘明祥研究员的共同指导下，研究了块体非晶合金在从玻璃到液体转变的过程中材料的热膨胀系数变化，发现不同成分的块体非晶合金在玻璃转变前后的热膨胀系数具有相似的1.7倍变化(图2)，而其它非晶材料在玻璃转变前后，或是纯金属在固液转变前后，则不存在这种倍率关系。研究推测，1.7倍热膨胀系数变化可能源自这些成分不同的块体非晶合金中普遍含有的铜、镍等后过渡金属。他们通过分子动力学模拟进一步研究了Cu-Zr和Ni-Zr体系的三种非晶合金在玻璃转变前后的热膨胀系数变化。在计算非仿射热膨胀系数后，他们发现这些非晶合金的铜、镍原子在玻璃转变过程中发生剧烈的壳层变化——有超过10个铜或镍原子从原子间距6-8埃的团簇外壳层进入内壳层（图3）——是这种局域的非仿射热膨胀行为导致了全局的定量热膨胀变化特性。这项工作解释了后过渡金属对驱动玻璃转变的作用，揭示了一种无序体系中的化学中程序对其玻璃转变的影响，为块体非晶合金新成分的开发提供了科学指导。

　　相关成果以“1.7 Times Thermal Expansion from Glass to Liquid”为标题发表在材料科学综合期刊Acta Materialia上。文章的共同第一作者是卢通博士和刘松灵博士研究生，通讯作者是孙永昊特聘研究员和潘明祥研究员。该工作还得到了汪卫华院士和山东省计算中心（国家超级计算济南中心）刘召远副研究员的大力支持。本研究得到了国家自然科学基金（51971239）、国家重点研发计划（2021YFA0703603和2021YFA0716302）、中国科学院战略重点研究计划（XDB3000000）和广东省自然科学基金（2019B030302010）的资助。

　　文章链接为：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117834


图1：后过渡金属元素被广泛使用于至少679种非晶合金中。


图2：至少20种统计的块体非晶合金从玻璃到液体发生的1.7倍的热膨胀系数变化。


图3： Cu50Zr50非晶合金中的(a) Cu-Cu和(b) Zr-Zr原子对的局域相对全局热膨胀系数变化。