中国液态金属研究再取新佳绩--《自然·通讯》刊登:“非晶合金液液相变”研究成果

      2015年7月13日《自然·通讯》发表汪卫华等最新研究成果:从量变到质变的液体结构演化:非晶合金液液相变。


      由于潜在的液液相变可能直接影响非晶合金液体的特性,包括金属玻璃转变、结构和动力学特征,因此受到广泛关注。目前,所有被怀疑是非晶合金液液相变的迹象都出现在过冷液态区(熔化温度以下),亚稳态液体的晶化问题阻碍了从实验上仔细观察和证实液液相变的发生,并且容易被晶化效应的假象所误导。这是目前研究液液相变的第一个难点。不同晶相具有明显的结构差异,而相同组份的不同液相的结构特征差异往往会非常的微小。加之液体的长程无序结构,液液相变很难用传统实验手段探测到。这是目前研究非晶合金液液相变的第二个难点。中科院物理所汪卫华研究员与华中科大吴跃、柳林组,人民大学李茂枝组合作用核磁共振的Knight位移和弛豫时间对La50Al35Ni15非晶合金液体进行了探索,发现该体系在熔点温度以上存在液液相变,并且具有一级相变特征的过冷现象。他们用分子动力学模拟方法进一步找到了此相变的结构变化信息,发现相变过程中密度未发生明显变化,但与五重对称性相关的局域结构却发生了突变,证实了该液液相变是由局域结构序参量决定的一级相变。研究结果表明局域结构序参量对决定液体结构和动力学性质具有重要影响,很可能对于描述玻璃转变具有重要意义。这一研究结果不仅首次从实验上在非晶合金的平衡熔体中发现了液液相变,并且对于进一步深入认识玻璃转变和形成这一重要的科学问题提供了新的思路。

      非晶合金液液相变这一研究成果对液态金属目前产业化看上去没有很多联系,但给我们将来制造结构器材中遇到诸如形成能力、内部结构均衡性等问题做到“知其所以然”,从而能调控和设计内部运行规律,更好服务产业化。


      材料基础研究进展快慢是决定这个国家在此产业化制高点上高低。众所周知,中国块体非晶基础研究在全球占有一定分量,中国块体非晶产业化俯视全球也初露端倪。


      根基决定高度!

      相关链接:液液相变概念


      何谓“液-液相变”?众所周知,碳元素可具有多种同素异构体,既可以形成石墨,亦可-形成金刚石;碳酸钙(CaCO3)既可以形成方解石,也可以文石的形式存在。这种化学成分相同,但晶体结构不同的现象称为“多晶型”现象,又称“多晶型转变”(polymorphism)。在适当的温度、压力条件下,“多晶型转变”可以具有一级相变的特征,即从一种晶相经过两相共存转变为另一晶相。由此人们自然会联想到,类似的现象及相应的相变是否也会在液体中发生?即是否存在有“液-液相变”(liquid-liquid transition)。与常见的多晶型现象相反,液-液相变的发生似乎有悖于人们习惯上的常识。例如,日常生活中我们观察到,意大利美食中使用的橄榄油和醋(水)两种液体,彼此共存而不相溶混,这是由于水和油的分子性质不同,水分子更喜欢与水分子相结合。相反,酒里的乙醇和水却可形成单相的溶液,而不存在多相分离共存的状态,因为它们却有相似的结构单元(如OH根),彼此-间可形成氢键。基于所谓的相似相溶原理可以推断,如果两种液体的组份完全一样,它们的互溶性应该是可期待的。因此,尽管相同组份的两个不同的液相共存并不违反热力学定律,但在直觉上难以认同。有趣的是,曾有科学家认为,在热力学平衡熔点以下的深过冷亚稳态水中,可以发生“液-液相变”,并且预测这很可能是水的许多奇异特性的物理本源。换言之,在特定的温度、压力条件下,会有可能存在有两种性质不同液相的水,混和后会发生“水-水不溶”。然而,这一“液-液相变”的假设,终因深过冷液态水在动力学上的不稳定,极易发生-晶化,而无法被实验直接佐证。(此概念引用王军强老师科学网部分内容)




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