根據(jù)原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，物質(zhì)通常可以分為固、液、氣三種狀態(tài)，三態(tài)之間有著明顯的區(qū)別，比如液態(tài)的水和固態(tài)的冰，固液兩相即使充分混合仍然會(huì)存在清晰的邊界。然而，最新的一些研究卻挑戰(zhàn)我們對(duì)物態(tài)的基本認(rèn)識(shí)，在極端條件或特殊體系中，單相的物質(zhì)可以處于既是固態(tài)也是液態(tài)的奇異狀態(tài)，即固體中存在部分可以像液體一樣擴(kuò)散的原子。比如冰在高溫高壓下（如天王星、海王星等冰巨行星的內(nèi)部）就會(huì)處于一種奇異的超離子態(tài)，氧原子固定在平衡位置附近振動(dòng)，氫原子則可以像在液體中一樣自由擴(kuò)散。地球核心也可能處于超離子態(tài)，鐵原子組成了固體的地核，碳?xì)溲醯容p元素則可以在其中快速流動(dòng)。我們追求的更加安全高效的全固態(tài)鋰電池，核心問(wèn)題之一也是使鋰離子在固體中能夠像在液體電解質(zhì)中一樣快速穿梭。因此，這種固體中包含液體的現(xiàn)象正吸引著不同領(lǐng)域的科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多的注意。
玻璃是一種特殊的固體材料，具有超強(qiáng)、超硬、堆積致密等典型的固體特性，同時(shí)又具有像液體一樣無(wú)序的原子結(jié)構(gòu)，是一個(gè)典型的復(fù)雜體系。雖然玻璃材料在生活中隨處可見(jiàn)，且人類使用玻璃已有上千年的歷史，科學(xué)家們?nèi)匀粺o(wú)法給出清晰玻璃微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)圖像。盡管玻璃具有和液體類似的微觀結(jié)構(gòu)，但人們一般認(rèn)為其內(nèi)部原子都已經(jīng)失去了像液體一樣大范圍運(yùn)動(dòng)的能力，玻璃也通常被稱為凍結(jié)的液體。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的白海洋研究員，聯(lián)合中國(guó)人民大學(xué)李茂枝教授，指導(dǎo)物理所博士生常超、趙睿和博士后張華平等人結(jié)合動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、納米壓痕測(cè)試和分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種動(dòng)力學(xué)研究手段，發(fā)現(xiàn)金屬玻璃等緊密堆積的玻璃固體中存在繼承了高溫液體動(dòng)力學(xué)行為的類液原子。這些類液體原子并沒(méi)有被凍結(jié)，他們?cè)?span id="jpnoqco" class="wpcom_tag_link">室溫下仍然可以快速地?cái)U(kuò)散，有效粘度只有10帕秒，比金屬玻璃在的粘度低了至少6個(gè)數(shù)量級(jí)。這一發(fā)現(xiàn)突破了玻璃的傳統(tǒng)微觀圖像，揭示出金屬玻璃部分固體，部分液體的本質(zhì)。
實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)原子的運(yùn)動(dòng)是一件非常困難的事情，該研究中實(shí)驗(yàn)人員使用動(dòng)力學(xué)激發(fā)的方式去研究玻璃內(nèi)部的原子運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外加擾動(dòng)的頻率與內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的頻率相當(dāng)時(shí)，原子運(yùn)動(dòng)會(huì)與外場(chǎng)發(fā)生共振吸收，從而在實(shí)驗(yàn)中能測(cè)量到特征的損耗峰。研究者重點(diǎn)關(guān)注了金屬玻璃在低溫下出現(xiàn)的損耗峰，即快弛豫峰（圖1）。這一動(dòng)力學(xué)模式比以往觀察到的玻璃內(nèi)對(duì)應(yīng)原子大范圍運(yùn)動(dòng)的α弛豫以及對(duì)應(yīng)局域運(yùn)動(dòng)的β弛豫都要更快，即金屬玻璃中存在著超出傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的運(yùn)動(dòng)更快的原子。對(duì)大量不同體系動(dòng)力學(xué)激活能的測(cè)量表明，快弛豫的激活能和高溫液體動(dòng)力學(xué)的激活能保持一致（圖2）。對(duì)比不同弛豫過(guò)程的弛豫時(shí)間還發(fā)現(xiàn)，高溫液體的動(dòng)力學(xué)和玻璃固體中的快弛豫滿足相同的Arrhenius關(guān)系（圖3），意味著在液體冷卻過(guò)程中，高溫液體的動(dòng)力學(xué)模式并沒(méi)有被完全凍結(jié)，一些原子可以延續(xù)高溫液體的Arrhenius關(guān)系至玻璃固體中，導(dǎo)致了玻璃固體室溫下的超快滯彈性和低溫下的快動(dòng)力學(xué)耗散峰。進(jìn)一步，研究者使用分子動(dòng)力學(xué)模擬詳細(xì)表征了La-Al體系中類液原子的運(yùn)動(dòng)特征和繼承過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下部分具有局部無(wú)序拓?fù)洵h(huán)境的Al原子就會(huì)發(fā)生類似熔化的長(zhǎng)程擴(kuò)散行為，并且呈現(xiàn)出鏈狀運(yùn)動(dòng)的特征（圖4）。這種鏈狀運(yùn)動(dòng)在高溫液體中已經(jīng)產(chǎn)生（圖5），并且會(huì)隨溫度降低越來(lái)越顯著，直至在玻璃固體中表現(xiàn)為低溫下的快動(dòng)力學(xué)模式，意味著類液原子的繼承本質(zhì)上是對(duì)鏈狀運(yùn)動(dòng)模式的繼承。
對(duì)于金屬玻璃中類液原子的研究，加深了我們對(duì)于玻璃本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，即玻璃態(tài)其實(shí)是一種部分是固態(tài)，部分是液態(tài)的奇異狀態(tài)。這種新的物理圖像不僅澄清了玻璃在低溫下快弛豫模式的起源，也將有助于構(gòu)建玻璃的動(dòng)力學(xué)-性質(zhì)關(guān)系。例如，這些類液原子會(huì)導(dǎo)致金屬玻璃室溫下明顯的滯彈性行為，并很可能和金屬玻璃的塑性變形密切相關(guān)。此外，金屬玻璃中類液原子和結(jié)構(gòu)無(wú)序的關(guān)聯(lián)也將對(duì)研究其他固體物質(zhì)中的超快擴(kuò)散帶來(lái)啟發(fā)，如超離子態(tài)的結(jié)構(gòu)起源以及固體電解質(zhì)的離子遷移等。
相關(guān)研究成果以“Liquid-like atoms in dense-packed solid glasses”為題名，于2022年8月15日在線發(fā)表在Nature Materials上，白海洋研究員為通訊作者，常超、趙睿和張華平為共同第一作者。詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)鏈接https://www.nature.com/articles/s41563-022-01327-w。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52192600，61888102，11790291，52031016，51631003)、廣東省自然科學(xué)基金(2019B030302010)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB30000000)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2018YFA0703603)以及博士后基金(2020TQ0346，2021M693372)的支持。
圖1：動(dòng)態(tài)力學(xué)譜檢測(cè)到快弛豫過(guò)程
圖2：快弛豫和高溫液體的激活能的關(guān)聯(lián)
圖3：YCo金屬玻璃的弛豫地圖
圖4：300 K下AlLa金屬玻璃中類液原子的識(shí)別和表征
圖5：AlLa系統(tǒng)中鏈狀擴(kuò)散的繼承過(guò)程
編輯：黃水機(jī)
