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克服挑战!香港城大科学家突破玻璃结构之谜

来源:贤集网 2021/6/9 10:31:08

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中玻网】玻璃是我们每天看到常见的物体之一,但这种非金属和非液体材料的详细结构一直是科学界的一大谜团。由香港城市大学(城大)科学家共同领导的研究小组成功发现,非晶和结晶金属玻璃具有相同的结构积木。正是这些块之间的连接性区分了材料的结晶态和非晶态。这些发现阐明了对玻璃结构的理解。

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  玻璃是一种非结晶的无定形固体,在日常生活中具有广泛的实际和技术用途。除了用于窗户的钠钙玻璃外,还有许多其他类型的玻璃,如金属玻璃。玻璃相材料神秘而特殊:在外面,材料表现得像固体,但在内部,它看起来像液体一样无序。因此其结构长期以来一直是科学研究的重点。

  (a)红球是Pd和Ni原子,而蓝球代表P原子。橙色多面体代表富含Pd的小簇,蓝色多面体代表富含Ni的小簇。仅显示部分小集群以供说明。(b)。边缘共享方案构建6M-TTP集群示意图。

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  城大物理系讲座教授兼物理系系主任王迅礼教授共同领导的研究小组发现了玻璃固体与其结晶对应物之间的结构联系,这是了解非晶详细结构的突 破材料。这项工作发表在《自然材料》上,题为“A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline state”。

  该论文的共同第 一作者蓝思博士(右)和吴振铎(中)在阿贡国家实验室先进光子源的同步加速器X射线衍射实验中进行了调整。

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  玻璃的结构一直是一项巨大的科学挑战,王教授说。

  与由称为晶胞的基本构件的周期性堆叠(长程有序)组成的结晶固体不同,玻璃材料没有长程有序。但是玻璃材料在短程(2-5Å)和中程(5-20Å)甚至更长的长度尺度上都具有有序结构。然而,由于材料的无定形性质导致缺乏对比度,科学家们很难通过实验确定中程有序的性质。因此,无定形材料与其结晶对应物之间是否存在中等范围或更长时间尺度的结构联系仍然是一个科学谜。进一步使问题复杂化的是,无定形材料通常会结晶成不同成分的相,具有非常不同的底层结构构建块。

  蓝思博士(右)、王迅利教授(右二)和学生在城大使用小角度X射线仪器检查Pd-Ni-P金属玻璃样本。

  为了克服这一挑战,该团队通过准确控制高温下金属玻璃(钯-镍-磷(Pd-Ni-P)合金)的加热来捕获中间结晶相。

  该团队随后采用了不同的先进结构分析技术,包括高分辨率透射电子显微镜、高精度同步加速器X射线衍射和自动计算机图像分析。通过比较处于非晶态和中间晶态的金属玻璃(合金)的结构,该团队发现两种形式的合金共享相同的构建块,即六元三端三角棱镜簇(6M-TTP)。由钯、镍和磷原子组成。该团队还得出结论,正是簇之间的连通性区分了结晶态和非晶态。

  我们的实验研究表明,连接非晶态和结晶态的结构构建块,例如Pd-Ni-P金属玻璃的三角棱镜簇,可以很好地扩展到中等长度尺度,大约为几十埃(Å),这可能是非晶材料的普遍特征。这一发现有力地表明,玻璃的结构与其结晶对应物的区别主要在于结构构建块的连接性,王教授说。

  研究人员认为,了解无定形材料的分子结构对于新材料的设计至关重要,因为结构决定了性能。我们的实验研究揭示了非晶材料在扩展长度尺度上的结构。这将大大有助于我们找出玻璃结构,王教授补充道。


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