姚可夫课题组发现高熵可诱导金属玻璃发生玻璃-玻璃转变

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玻璃在结构上不同于传统认知的晶体或准晶，其原子或分子在三维空间呈长程无序排列，是一类广泛存在于自然界和工程应用及我们日常生活中的重要材料，也是目前唯一无论理论或实验技术都无法精确描述其原子/分子堆垛结构的最为复杂的一类材料。因此，玻璃态本质（包括玻璃结构和玻璃转变行为）被科学界认为是21世纪人类需要解决的125个关键科学问题之一。在众多玻璃材料家族中，金属玻璃是金属键占主导、结构最简单的一类玻璃，成为研究玻璃态本质和玻璃转变现象的最重要的模型材料之一。然而，科学工作者迄今对金属玻璃结构和玻璃转变行为的认识仍非常有限，缺乏能够对其深入探究的技术手段和理论创新的切入点。但研究者普遍认为揭示玻璃-玻璃转变行为对认识玻璃态本质这一重要科学问题具有重要科学意义。
        近日，清华大学非晶研究团队在金属玻璃-玻璃转变研究中取得了突破性进展，发现在NbNiZrTiCo高熵非晶合金（或称高熵金属玻璃）中在常规升温条件下存在清晰的玻璃-玻璃转变，并且伴随着类似于晶化转变的显著的热量释放（图1a），而转变前后均具有典型的非晶态结构。为了深入理解这种异常的玻璃-玻璃转变行为并揭示其背后机理，清华大学邵洋副研究员、陈娜副研究员、姚可夫教授与北京高压科学研究中心的曾桥石研究员和香港城市大学的刘锦川院士等开展了系统的合作研究，采用同步辐射（图1d,e）、透射电子显微镜（图1f,g,h,i）和三维原子探针等分析了玻璃-玻璃转变前后的结构/性能变化，进一步证实了该金属玻璃在转变前后均为玻璃态结构，但发生玻璃-玻璃转后，原子堆垛排列的短程/中程序结构发生显著变化，证实该金属玻璃从一种高能态玻璃转变为一种具有超常热稳定性的低能态玻璃。伴随结构上的显著变化，该超稳定金属玻璃材料的硬度和杨氏模量也分别提升近40%和10%，这为解决非晶合金领域长期存在的关键科学问题即如何构建金属玻璃结构与性能关系并对金属玻璃结构/性能进行有效调控提供了新的方法。研究团队还发现高熵效应是诱导该金属玻璃中出现玻璃-玻璃转变的重要影响因素，提出了研制具有这种玻璃-玻璃转变的高熵非晶合金的成分设计思路和经验准则。并基于这一思路，在新设计的两个高熵非晶合金中发现了类似的玻璃-玻璃转变现象，证实了该经验准则的普适性。研究结果为进一步研究玻璃-玻璃转变和揭示玻璃态本质提供了理论依据和材料基础，为解决世纪难题“玻璃态本质”带来新的机遇。

图1 原始态（a）和TA退火后（b）的NbNiZrTiCo高熵非晶合金的比热（ΔCP）随温度变化,(a)中绿色部分为玻璃-玻璃转变放热量；X射线衍射（c），同步X射线衍射(（d）、（e）)，高分辨透射电子显微像和选区电子衍射（(f)、（h）：退火前后）、和高角环形暗场像分析（(g)、（i）：退火前后）

        4月21日，上述研究工作以“高熵诱导的金属玻璃中的玻璃-玻璃转变”（High-entropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass）为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。清华大学材料学院2016级博士生栾亨伟、北京高压科学研究中心2017级博士生张鑫、江苏科技大学丁红瑜博士（姚可夫课题组已毕业博士生）为论文共同第一作者，清华大学材料学院邵洋副研究员、北京高压科学研究中心曾桥石研究员，清华大学材料学院陈娜副研究员和姚可夫教授为论文共同通讯作者。参加该研究工作的作者还包括香港城市大学刘锦川院士、栾军华博士和余晴博士，香港理工大学焦增宝博士，北京高压科学研究中心张飞博士，北京大学已毕业硕士邵春霖，清华大学材料学院2018级硕士杨宜洁、2020级博士生卜亨通、2019级博士生王冉宾、2014级博士生谷佳伦。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、优秀青年科学基金项目、江苏省青年基金和国家重点研发计划项目的支持。
       论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29789-1


       文章来源：清华大学
         姚可夫教授，博士生导师。国家精品课、国家精品资源共享课“工程材料”课程负责人，“工程材料及加工”国家级教学团队负责人。主讲“工程材料”、“现代材料分析技术”课程。主要从事非晶合金、高熵合金、纳米晶等先进金属材料及其加工与应用研究。主持和参与了十三五国家重点研究发计划项目（“特种软磁合金与应用”项目首席）、‘973”项目课题、‘863”项目、国家自然科学基金面上项目与重点项目、国际合作项目、与企业合作项目的研究工作，发表学术论文300余篇，其中SCI收录论文180余篇，获授权发明专利20余项。
        邵洋，清华大学材料学院副教授。2002年本科毕业于清华大学材料科学与工程系，2004年获清华大学材料科学与工程系硕士学位，2009年获加拿大麦克马斯特大学材料科学与工程系博士学位。2009年—2010年在加拿大麦克马斯特大学及加拿大国家电子显微镜实验室从事博士后研究工作。2010年回国到清华大学任教。主要研究材料特别是非晶合金的微观结构和宏观性能之间的关系，承担并参与了多项国家自然科学基金项目以及国家重点研发计划等，2013年入选北京市“青年英才计划”，2017年获中国材料学会非晶与高熵分会优秀青年科学家奖，已发表学术论文70多篇。
       陈娜，博士,清华大学副教授,国家优秀青年基金获得者。 长期在非晶态金属材料领域从事研究工作，注重实验创新与理论探索相结合，在非晶态磁性半导体、纳米金属玻璃、块体非晶合金的开发及应用等方面开展了较为系统深入的研究。基于对新材料和新现象的探索研究，提出了纳米非晶合金的设计新思路，实现了难以互溶的非晶合金的纳米尺度的复合，为调控非晶材料的性能提供了有效的途径，在传统非晶合金结构和纳米晶体材料结构之间架起了桥梁，丰富了已有非晶态金属材料的类型；提出了一种把磁性非晶合金转变为磁性半导体的方法，制备出兼具磁性和半导体电性的新型的室温磁性半导体材料，成果入选中国非晶合金十大新闻、基金委要闻及清华头条新闻。