李茂枝 研究組 供稿?

探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系一直是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。對(duì)于非晶無(wú)序體系，由于其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無(wú)序，無(wú)法采用現(xiàn)代晶體學(xué)的理論知識(shí)對(duì)其認(rèn)識(shí)和理解，所以其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的關(guān)系一直是科學(xué)難題。

事實(shí)上，五次對(duì)稱性在非晶無(wú)序體系中是普遍存在的，已有的研究表明五次對(duì)稱性在膠體體系和顆粒物質(zhì)的玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程中扮演著重要的角色，并且影響著體系的宏觀性質(zhì)。同樣，非晶合金也具有五次對(duì)稱性，非晶形成的過(guò)程可以看做五次對(duì)稱性與晶體對(duì)稱性之間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，五次對(duì)稱性可能在非晶合金及液體的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系中起著關(guān)鍵的作用。因此，是否可以找到一種定量描述非晶合金中五次對(duì)稱性的方法，建立非晶無(wú)序體系的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系呢？

最近，中國(guó)人民大學(xué)物理系李茂枝研究組與中科院物理研究所汪衛(wèi)華研究組合作，提出了一個(gè)定量描述非晶合金和液體微觀結(jié)構(gòu)局域五次對(duì)稱性的參量W。他們利用該結(jié)構(gòu)參量，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，系統(tǒng)地研究了合金液體在玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的演化以及與合金液體的動(dòng)力學(xué)之間的定量關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，首先，該參量能夠很好地描述合金液體在玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程中很寬的溫度范圍內(nèi)的局域結(jié)構(gòu)演化行為（圖1），說(shuō)明該結(jié)構(gòu)參量反映了合金液體微觀結(jié)構(gòu)的本質(zhì)；其次，利用該結(jié)構(gòu)參量可以建立合金液體的動(dòng)力學(xué)行為與微觀結(jié)構(gòu)演化之間的定量表達(dá)式（圖2），并且該定量表達(dá)式是普適的，從中可以理解玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程中動(dòng)力學(xué)的急劇變化的結(jié)構(gòu)本質(zhì)。這些研究結(jié)果表明玻璃轉(zhuǎn)變不僅僅是一個(gè)動(dòng)力學(xué)急劇變慢的過(guò)程，同時(shí)微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了復(fù)雜的變化，為動(dòng)力學(xué)的演化提供了微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在2015年《自然》雜志子刊《自然-通訊》上“Five-fold symmetry as indicator of dynamic arrest in metallic glass-forming liquids”【Nature Communications 6, 8310 (2015)】。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51271197，51271195）和973項(xiàng)目的資助。

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