雷競技ray官網(wǎng)海洋裝備研究院丁紅瑜博士與清華大學(xué)姚可夫教授課題組合作，在高熵金屬玻璃的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變研究方面近期取得重要進(jìn)展。4月21日，研究工作以“高熵誘導(dǎo)的金屬玻璃中的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變”（High-entropy induced a glass-to-glass transition in a metallic glass）為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)材料學(xué)院博士生欒亨偉，北京高壓科學(xué)研究中心博士生張鑫，丁紅瑜博士為論文共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院邵洋副研究員、北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員，清華大學(xué)材料學(xué)院陳娜副研究員，以及清華大學(xué)材料學(xué)院姚可夫教授為論文共同通訊作者。

在自然界中，晶體（如雪花，食鹽，金剛石等）是原子規(guī)則有序排列的一種狀態(tài)。而與之相對應(yīng)的，原子排列無序的玻璃態(tài)則是另一種常見的形態(tài)。雖然同是玻璃，但隨著能量狀態(tài)不同，玻璃的結(jié)構(gòu)，性能也有很大區(qū)別。兩種玻璃狀態(tài)（玻璃-玻璃）的轉(zhuǎn)變有助于理解玻璃的性質(zhì)，如何調(diào)控玻璃的狀態(tài)卻是一個難題。在金屬玻璃（又稱非晶合金）研究領(lǐng)域，因其不同于傳統(tǒng)晶態(tài)材料的無序原子排列結(jié)構(gòu)，使得通過原子排列結(jié)構(gòu)明顯改變實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控的手段較少。熵是體系中無序度（混亂度）的度量，越雜亂，系統(tǒng)的熵越高，高熵金屬玻璃是非晶合金領(lǐng)域的一個子類，兼具多組元、近等原子比的成分特征以及長程無序的結(jié)構(gòu)特征，使其具有不同于傳統(tǒng)金屬玻璃的高構(gòu)型熵。高熵金屬玻璃提供了一種找尋玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變的新材料。

在本論文中，研究者們制備了一種包含五種金屬元素（Nb，Ni，Zr，Ti，Co）的合金，這五種元素以等原子比形式存在，通過快速冷卻的方法得到了高熵金屬玻璃。研究發(fā)現(xiàn)，制備的NbNiZrTiCo高熵金屬玻璃在加熱過程中觀察到了顯著的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變，且與玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象所對應(yīng)的放熱量比在之后更高溫度下發(fā)生的晶化過程的放熱量更大（圖1a）。通過同步輻射X射線衍射（圖1d,e）、透射電子顯微鏡（圖1f,g,h,i）、以及三維原子探針的進(jìn)一步分析，排除了晶化和調(diào)幅分解的可能，并確認(rèn)了玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變的發(fā)生。此外，對樣品進(jìn)行的原位同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變前后的樣品仍保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，但其雙體分布函數(shù)中第一峰發(fā)生非線性變化，且第二峰發(fā)生顯著劈裂，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。非晶結(jié)構(gòu)的變化也引起了性能的顯著變化，玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變后，硬度和楊氏模量分別增加了40%和10%左右。

圖1 原始態(tài)和熱處理后的NbNiZrTiCo高熵金屬玻璃的比熱（ΔCP），X射線衍射，同步輻射X射線衍射，高分辨透射電子顯微鏡，選區(qū)電子衍射和高角環(huán)形暗場像分析。

針對該玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變背后的熱力學(xué)起源，該研究工作提出高熵金屬玻璃中較高的構(gòu)型熵使其在能量狀態(tài)空間中具有較多的可能的微觀狀態(tài)數(shù)和較寬的調(diào)節(jié)范圍，從而具有在能量狀態(tài)顯著不同的構(gòu)型間轉(zhuǎn)換的可能，并可能表現(xiàn)出顯著的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。此外，動力學(xué)上較高的構(gòu)型熵使得體系容易通過快冷的方式獲得高能態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)，從而為后續(xù)向具有更低能量狀態(tài)的玻璃結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變提供了可能。研究工作對比了不同金屬玻璃體系中的構(gòu)型熵的兩個主要組成部分，即理想構(gòu)型熵（SC）和過剩熵（SE）。通過統(tǒng)計(jì)金屬玻璃的SC和SE，發(fā)現(xiàn)玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變在兼具高SC和高SE的高熵金屬玻璃體系中發(fā)生。此外，在另外兩種兼具高SC和高SE的高熵金屬玻璃中也發(fā)現(xiàn)了類似的玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變，并也具有顯著的能量、結(jié)構(gòu)和性能的變化，進(jìn)一步佐證了高熵在玻璃-玻璃轉(zhuǎn)變過程中的誘導(dǎo)作用（圖2）。

圖2 NbNiZrTiCo高熵非晶合金的相變過程與SE- SC圖

這些發(fā)現(xiàn)揭示了金屬玻璃中一種新的高熵效應(yīng)，并為調(diào)節(jié)玻璃的狀態(tài)和性質(zhì)開辟了一條新的途徑。目前的結(jié)果對于高熵效應(yīng)與玻璃結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)有啟發(fā)作用，同時也為設(shè)計(jì)具有特定結(jié)構(gòu)、性能的新型高熵金屬玻璃提供了成功的案例。

論文其他作者還包括香港城市大學(xué)劉錦川院士、欒軍華博士和余晴博士、香港理工大學(xué)焦增寶博士、北京大學(xué)邵春霖、清華大學(xué)楊宜潔、卜亨通、王冉賓、谷佳倫等。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、江蘇省青年基金（項(xiàng)目號BK20190979）等經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29789-1.