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06-18
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本文来自微信公众号“中国科学院物理研究所”（cas-iop）作者：EX11 编辑：木宇 非晶玻璃材料是典型的复杂体系。
其中，非晶合金（又称金属玻璃）兼有金属与玻璃、固体与液体的特性，表现出优异的机械、物理、化学性能，在高端装备、能源等高新技术领域有重要应用。
和信息。
非晶合金也是研究和理解复杂系统中的科学问题和现象的重要材料模型。
一般认为，任何金属或合金在一定条件下都可以形成非晶态材料，其难度称为非晶态形成能力（Glassformingability，GFA）。
该指标直接决定了某种合金成分所能形成的完全非晶材料的尺寸并表现出非晶材料的特性。
非晶形成能力不足将限制大尺寸元件的批量生产和加工。
因此，非晶形成能力是限制非晶合金工程应用的关键问题，也是理解非晶形成机理的重要突破。
然而，非晶合金是典型的多元合金材料，其元素多样性和复杂性使得高性能非晶合金材料的按需设计极具挑战性。
为了预测合金系统的非晶形成能力，研究人员提出了十多个标准。
但这些准则存在难以量化或测量等问题，其预测能力和实用性难以满足按需设计的要求。
计算模拟研究表明，非晶合金的形成受到短程有序及其空间排列的影响，但原子堆叠结构与非晶形成能力之间的定量关系仍难以确定。
图1 非晶合金高通量研发流程，包括组合材料制备、自动化成分分析和结构表征、衍射峰自动分析。
数据表明，XRD衍射第一峰的峰宽Δq随组成逐渐变化。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心刘彦辉、王卫华研究团队利用材料基因工程理念，前期开发高通量实验方法，实现快速筛选非晶合金的研究，并开发出高温大块非晶合金（Nature，，，99），证实了材料基因工程在非晶合金开发中的有效性和高效率。
近期，团队打通了非晶合金高通量实验和实验数据自动分析的关键环节，实现了非晶合金新材料的高通量、工艺化研发（图1a、b）。
基于这一研发模型，该团队与耶鲁大学Jan Schroers团队合作，收集了剩余合金的X射线衍射（XRD）图谱。
这些合金涵盖了12种典型的非晶形成体系，其制备工艺和表征方法高度一致，可以揭示非晶形成和结构随成分的演变。
他们发现，在同一合金体系内，XRD第一个峰的峰宽（Δq）随着成分的变化而有规律地变化（图1c、d），并且不同合金的非晶形成能力与Δq显着相关（图2） ) ，宽的 Δq 对应于强的非晶形成能力。
该规则为探索新型非晶合金材料提供了一种方便、实用、高效的新准则（简称Δq-GFA准则），可以大大提高新型非晶合金材料的开发效率：与传统的“试错法”相比”与以往的高通量实验方法相比，效率提高了数倍（图3）。
图2 12种典型非晶合金体系中Δq的分布。
红色区域是Δq的最大值，黑点是文献报道的GFA最强的合金成分。
图 3. 三种非晶合金开发方法的效率比较。
对于三元合金体系，传统的试错法需要大约10,000块合金的制备和表征；之前的高通量方法可以将大块合金的数量减少到100种； Δq-GFA可以将大块合金的数量减少到个位数。
为了证实Δq-GFA准则的预测能力和实用性，团队选择了此前未报道的Zr-Cu-Cr和Ir-Co-Ta合金体系，并通过高通量制备和表征得到了这两种合金体系。
Δq分布，并在Δq-GFA准则的指导下，发现了具有强非晶形成能力和形成块体能力的新型非晶合金材料（图4），证明Δq-GFA准则是新型非晶合金的指南材料 高效研发的强大工具。
图 4. 使用 Δq-GFA 准则，在 ZrCuCr 合金体系中发现了可以形成大块非晶合金的新材料。
由于 XRD 反映了非晶合金的统计平均结构信息，因此 Δq 随合金成分的变化表明，在同一合金体系内，GFA 的成分依赖性与非晶相的整体原子堆叠结构有关。
Δq的大小往往反映了结构的无序程度。
Δq越大，结构的无序程度越大。
Δq与GFA之间的相关性表明，在相同的制备条件下，GFA较高的合金具有更加无序的结构。
然而，过去的研究认为，GFA 与几个具有较高密度的特定簇（例如二十面体簇）有关。
这些簇可以使非晶结构达到接近晶体的密度，从而带来更好的强GFA。
Δq反映的强GFA合金整体无序性较高的观点似乎与文献观点不一致。
为了澄清这一矛盾，团队通过分子动力学模拟分析了同一体系中不同非晶合金的原子结构。
结果表明，具有强GFA的合金中的团簇构型类型显着高于同一体系中的其他合金，这表明GFA受到团簇类型结构分散性的影响。
研究表明，二十面体团簇等短程有序结构是非晶结构中原子紧密堆积的主要贡献，但这些团簇在实际材料中会出现不同程度的扭曲。
这些扭曲的簇无法完全填满空间。
更多类型簇的参与，有利于簇之间的空间堆叠，提高整体的密集堆积。
换句话说，团簇构型类型越分散，越有利于在非晶结构中实现密堆积（图5）。
由于每类团簇的原子间距不同，结果是Δq反映的整体无序程度不同。
图5 Zr-Cu-Al合金的分子动力学模拟结果。
随着Zr含量的变化，Δq、团簇构型类型和致密堆积度表现出相似的变化趋势。
Δq-GFA准则不仅可以大大提高新型非晶合金材料的研发效率，而且更有可能加深对非晶形成机制的理解。
晶体材料之所以能够建立清晰的构效关系，主要原因在于晶体的周期性和对称性可以将问题简化到最小的单元。
该团队的研究结果表明，将问题减少到特定集群或“单元”的方法似乎并不能反映无定形系统中的情况。
在非晶态系统中，增加“单元”的分散度实际上可以增加 GFA。
这意味着理解非晶形成机制应该从整体行为开始，而不是从特定的局部结构开始。
物理所李明星副研究员、博士后孙一涛、副总工程师王超为此项工作的共同第一负责人，刘彦辉研究员为通讯负责人。
上述研究工作得到了国家重点研发计划（YFA）、国家杰出青年科学基金（）、国家自然科学基金（、、、、）、中科院B类项目的资助试点项目（XDB）和材料基因研究平台。
。
相关研究成果于2019年11月4日《Nature Materials》在线发表。
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