城大科学家为解开玻璃结构之谜迈进重要一步

玻璃是我们常见的日用品之一，但这种既非金属、又非液体材料的详细结构，一直是科学界一大谜团。一支由香港城市大学（城大）科学家共同领导的科研团队，最近便发现，原来非晶态及晶态的金属材料在结构上有关连，两者具有相同的结构单元，而这些结构单元之间的连接方式，正是区分晶态还是非晶态分子排列的关键。这次研究成果，为彻底解开玻璃结构之谜迈出重要的一步。

玻璃（Glass）是一种非晶态、无定形固体，在日常生活中有着广泛的实用和技术用途。除了用于窗户的钠钙玻璃，还存在许多其他类型的玻璃，例如金属玻璃。“玻璃相”材料（glass phase material）神秘而特殊：从外面来看，玻璃类材料坚固及表现得像是普通固体；但在材料内部，其分子排列却像液体一样处于无序状态。所以它的结构长期以来一直是科学研究的重点。

由城大物理学系主任兼讲座教授王循理教授共同领导的科研团队，近日便发现了非晶态的金属玻璃与晶态的金属材料，两者原来存在结构上的关连，这对了解非晶态材料的详细结构是一个突破。有关研究成果已经在科学期刊《Nature Materials》上发表，题目是〈A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline states〉。

王循理教授说：“玻璃的结构本质，一直是一个科学大挑战的问题。”

普通晶态固体，一般是由被称为“结构单元”（unit cell）的基本构件，以周期性地重复、长程有序地堆积而成。至于玻璃类材料（属非晶态材料）的分子排列，虽然没有“长程秩序”的排列，但其实它在短程（2-5 Å）和中程（5-20 Å），或稍为更长的距离上，存在一定的排列秩序（ 注：Å即格斯特朗Angstrom，又称埃，是极小的长度单位，一埃等如0.1纳米，即100亿分之一米）。

可是，由于玻璃类材料的无定形性质导致缺乏可对比的对象，令科学家很难通过实验去确定玻璃的“中程秩序”的性质。因此，在中程或更长距离尺度上，无定形（非晶态）玻璃类材料和晶态材料之间是否存在任何结构上的关连，至今在科学上，仍然是一个谜。令这问题更棘手的是，无定形材料通常会结晶化变成不同成分的“相”（phase），即具有非常不同的内在基本结构单元，令研究更加困难。

 

为了克服上述挑战，包括城大学者在内的科研团队通过精确地控制金属玻璃“钯-镍-磷合金（Pd-Ni-P Alloy）”的高温加热，成功捕获了一个“中间结晶相”。该团队随即采用了不同的先进结构分析技术，包括高分辨透射电子显微镜、高精确度同步辐射X射线衍射和自动化计算机图像分析。结果通过比较金属玻璃（合金）在无定形和“中间结晶态”下的结构，研究团队发现这两种形式的合金原来都存在相同的结构构件，即由钯、镍和磷原子组成的“六元三帽三棱柱团簇（6M-TTP）”。研究小组还得出以下结论：团簇之间不同的连接方式，区分了晶态和非晶态的金属材料中的原子排列。

“我们的实验结果显示，连系起非晶态和晶态的结构构件，如Pd-Ni-P金属玻璃的三棱柱团簇(TTP)，很可能可以延伸到中距离，例如达到几十个埃（Å）的长度，这有可能是非晶态材料的一个普遍特征。这个发现有力地证明，玻璃的结构与其晶态对应物的主要区别，在于结构构件的连接方式。”王循理教授说。

 

团队相信，了解非晶态材料的分子结构对新材料的设计至为重要，因为分子结构决定了材料的特性。“我们的实验研究阐明了非晶态材料在更长距离尺度上的结构，这将大大有助于我们去努力弄清楚玻璃的内部结构。”王教授补充说。

来自南京理工大学（NJUST）、香港城市大学及美国阿贡国家实验室的科研小组共同领导了今次研究。研究的通讯作者是南京理工大学材料科学与工程学院兰司教授、美国阿贡国家实验室高级物理学家任洋博士以及城大物理学系王循理教授。

 

 

研究的共同第一作者是兰司教授、朱力（南京航空航天大学博士生）、香港城市大学（东莞）研究院吴桢舵博士和中国科学院谷林教授。其他合作的学者包括城大工程学院的大学杰出教授刘锦川教授以及城大物理学系刘奇博士。

这项工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、粤港澳中子散射科学技术联合实验室、裘槎基金会、香港特别行政区研究资助局以及中央高校基础研究基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41563-021-01011-5

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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