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于海滨教授在非晶金属玻璃次级弛豫机理研究取得进展

发布日期:2017-11-20    作者:     来源:     点击:

(通讯员 胡浩)11月17日,《科学·进展》(Science Advances)在线刊发了华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心于海滨教授题为“Structural Rearrangements Governing Johari-Goldstein Relaxations in Metallic Glass”的研究论文。该成果为于海滨教授与美国亚利桑那州立大学Ranko Richert教授、德国哥廷根大学Konrad Samwer教授合作完成,于海滨为第一作者和通讯作者,我校为第一署名单位。

处于能量亚稳态的复杂非晶态固体(即玻璃态)物质中存在各种弛豫行为。弛豫现象起源于多体系统的不可逆过程,取决于一些基本物理定律。这种不可逆的物理及化学过程是使系统微扰和耗散得以进行的必要条件,是维持平衡和进一步演化的前提。由于弛豫行为决定了非晶凝聚态物质的基本特征和应用,研究认识非晶的弛豫行为非常重要,一直是非晶态物理研究的核心内容。然而,非晶多体系统中的弛豫与扩散问题的物理机制仍然不清楚,是一个重要而又未解决的物理问题。

在各种非晶玻璃态物质中,例如有机高分子/小分子玻璃、氧化物玻璃、以及非晶态药物甚至蛋白质等,存在两种本征的基本弛豫模式,即α弛豫和β弛豫。α弛豫(也称为主弛豫)涉及非晶中大范围的粒子扩散运动,而β弛豫(也称为次级弛豫)与非晶体系中局域的区域的粒子运动行为有关。在玻璃态材料中,β弛豫与玻璃转变、塑性形变等物理性质有密切的联系,是非晶态材料性能调控的一个重要过程。例如,β弛豫使得玻璃材料可能具有良好的塑性变形能力(而不是像窗户玻璃那样脆),而在非晶态药物方面β弛豫又需要抑制,因其可能造成玻璃的结晶化使得非晶态药物优点消失。尽管如此,β弛豫对应的物理机制目前还不清楚,存在多种模型和假说。

该研究中,于海滨教授与合作者利用大规模的分子动力学模拟,使得模拟时间尺度(皮秒-微秒)与实验时间尺度(微秒-秒量级)趋近一致,澄清了金属玻璃材料中β弛豫的原子运动机理:在看似无序、混乱的运动中,有一部分运动较快的原子以链状形式协调运动(如图所示)。该结果也表明,在复杂和无序中存在简单的规律。

该研究不仅澄清了非晶态材料β弛豫的原子运动机理,还使得利用调控β弛豫来改变非晶玻璃态材料性能成为可能,为今后进一步阐明非晶形物质本质奠定了基础。

该研究工作得到国家自然科学基金、青年千人计划资助;并得到国家脉冲强磁场科学中心的大力支持,部分计算工作在国家超算天津中心和广州中心完成。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/11/e1701577