科学家们突破了解决“宏伟科学”结构玻璃的结构态度

金刚石水晶结构

玻璃是我们每天看到的最常见的受试者之一,但这种非金属和非液体材料的详细结构一直是科学中的主要奥秘。由香港城市大学(Coutchu)的科学家联合主导的研究小组已成功发现,无定形和晶体金属玻璃具有相同的结构构建块。并且是这些块之间的连接,其区分晶体和无定形状态的材料。调查结果揭示了对玻璃结构的理解。

玻璃是一种非晶无定形固体,在日常生活中具有广泛的实用和技术用途。除了窗户中使用的钠钙玻璃外,还有许多其他类型的玻璃如金属玻璃。玻璃相材料是神秘和特殊的:在外面,材料表现得像坚实,但内部,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。

Cutceu董事会教授王旭丽教授联合主导的研究小组已经发现了玻璃固体及其晶体对应物之间的结构联系,这是理解无定形的详细结构的突破材料。这项工作发表在自然材料,标题为“链接非晶和晶体状态的中型结构主题”。

“玻璃结构一直是一个盛大的科学挑战,”王教授说。

Lan Si和Wu Zhenduo

兰思议员(右)和吴振国(中间)是本文的首先作者,在Argonne National实验室高级光子源的同步X射线衍射实验中进行最终调整。信用:照片由王旭利教授提供

与由称为单位电池称为单位电池的周期性堆叠(远程顺序)组成的结晶固体,玻璃材料没有远程顺序。但是玻璃材料在短程(2-5埃)和中等范围(5-20​​埃)处具有有序结构,甚至更长的长度尺度。然而,由于材料的无定形性质缺乏造影,科学家们难以通过实验确定中范围顺序的性质。结果,它仍然是一种科学的神秘,是否存在在非晶材料和其晶体对应物之间的中等范围或更长的长度尺度处存在任何结构链路。进一步复合问题是,无定形材料通常呈现成不同组成的相位,具有非常不同的底层结构构建块。

为了克服这一挑战,该团队通过在高温下精确控制金属玻璃(钯 - 镍(PD-Ni-P)合金)的精确控制来捕获中间晶相。

中间立方晶相结构模型

(a)红色球是pd和ni原子,而蓝球代表p原子。橙色多面体代表了富含PD的小簇,蓝色多面体代表了富含Ni的小簇。仅显示小集群的一部分以澄清。(b)。示意图,其示出了边缘共享方案的6M-TTP集群的构造。信用:LAN,S.,Zhu,L.,Wu,Z.等。/ DOI号:10.1038 / S41563-021-01011-5

该团队随后采用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X射线衍射和自动化计算机图像分析。通过将金属玻璃(合金)的结构进行比较其无定形​​和中间晶体状态,该团队发现两种形式的合金共享相同的构建块,这是“六元分关的三角形棱镜簇(6M-TTP)“由钯,镍和磷的原子组成。该团队还得出结论,它是区分结晶和非晶态的簇之间的连接。

“我们的实验研究表明,连接非晶态和结晶状态的结构构建块,例如PD-Ni-P金属玻璃的三角棱镜簇,可以很好地延伸到中范围长度,大约一定的埃(å)这可能是无定形材料的普遍特征。这一发现强烈建议玻璃的结构主要从其晶体对应的区别于结构构建块的连接,“王教授说。

金属玻璃样本检查

Lan Si博士(右),王旭丽教授(右下),学生使用Couteu的小角X射线仪器检查PD-Ni-P金属玻璃样品。信贷:香港城市大学

研究人员认为,理解无定形材料的分子结构对新材料的设计至关重要,因为该结构确定了性能。“我们的实验研究在延长长度尺度下对无定形材料的结构揭示。这将使我们努力弄清楚玻璃结构的努力,“王教授补充道。

参考文献:“中范围结构主题与无定形和晶体状态联系起来”的思兰,李朱,镇铎吴,林古,清华张,惠辉孔,刘刘,若冯歌,窦刘,岗沙,青王,齐刘,魏刘,裴义王,连锁 - 遍ts刘,杨仁和荀王,2011年5月20日,自然材料
DOI:10.1038 / S41563-021-01011-5

南京科技大学研究小组(NJust),Couteu和Argonne National Laboratory Co-Lived这项研究。相应的作者是兰斯教授的NJUST,任阳博士,阿尔冈国家实验室高级物理学家,王教授。

联合第一作者是LAN教授,朱丽先生(南京航空航天大学博士学生,NUAA),来自香港东莞市大学吴振国博士,顾林教授来自中国科学院(CAS)。其他合作者包括刘链教授,大学杰出教授在工程学院,刘琦博士,刘琦议员从Cityu的物理系。

这项工作得到了中国天然科学基金的支持,江苏省自然科学基金,广东港 - 澳门联合实验室中央大学的基础研究资金,蹲伏基金会,克力基础,香港特区的研究委员会。

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