Small Structures:不井然非无序

非晶合金(或称金属玻璃)是在超快的冷却速率(大于每秒一百万度)下避免了结晶的合金,具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。与传统的晶态金属材料不同,非晶合金中不存在晶界、位错等传统意义上的缺陷,这些独特的结构特征赋予了其优异的功能特性。非晶合金具有高强度,高韧性,高耐蚀性和高磁导率等优异的力学、物理和化学性能,在航天、能源、电子器件等领域具有广泛的应用前景。

随着信息时代的到来,构建现代光电器件的低维材料成为研究的前沿热点。由于非晶合金在过冷液相区具有很好地精密加工形成能力,这使得低维非晶合金材料引起了大家的广泛研究兴趣。一方面,低维非晶合金可以克服块体非晶合金的一些不足,例如,非晶合金纳米棒克服了块体的脆性断裂问题,展示出超过20%的拉伸塑性。另一方面,低维非晶态合金在许多领域表现出潜在的应用价值。例如,铱基非晶合金薄膜表现出比晶态物质更优异的电催化性能;硅基非晶合金纳米纤维复合材料可以作为具有长循环寿命的稳定阳极;锆、镁和钛基非晶合金具有良好的耐蚀性和生物相容性,可以用作外科手术设备或者植入物支架的涂层。

Small Structures最近发表了由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心博士后姜红玉、白海洋研究员、谷林研究员和汪卫华研究员共同撰写的综述文章“Structures and Functional Properties of Amorphous Alloys”(DOI:10.1002/sstr.202000057)。该综述文章系统地介绍了非晶合金中主要的结构模型,以及非晶合金的功能性应用最新进展。这些结构模型包括短程序尺度上的Bernal多面体、Miracle团簇模型;中程序尺度上的团簇密堆模型、准团簇密堆模型、分形团簇堆积模型、流变单元模型;以及长程的拓扑密堆模型。功能性应用重点涵盖了低维非晶合金材料在电化学,磁学,光学和生物医学等领域。此外,该综述文章讨论了非晶合金的微观结构对其力学行为、玻璃形成能力、电催化等性能的影响。由于表征技术的限制和模型理论的局限性,至今还没有一个完整和准确的模型能描述非晶合金中原子是如何排满整个空间的,非晶结构研究仍然是凝聚态物理和材料领域的热点和难题,而进一步深入理解非晶合金的结构特征对调控其功能特性具有重要意义。

上述研究工作得到了国家重点研发计划(2019YFA0308500)、北京市重点项目(Z190010)、先导B专项(XDB07030200)和国家自然科学基金项目(51421002, 51672307, 51991344)的支持。