新發現！金屬玻璃竟中存在類液原子

近日，《自然—材料》在線發表了中國科學院物理研究所極端條件物理重點實驗室研究員白海洋等人與合作者的最新研究成果。研究運用動態力學實驗、納米壓痕測試和分子動力學模擬等多種動力學研究手段，發現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力學行為的類液原子。這些類液體原子沒有被凍結，在室溫下可快速地擴散，有效粘度只有107帕秒，比金屬玻璃在Tg的粘度低了至少6個數量級。這一發現突破了玻璃的傳統微觀圖像，揭示了金屬玻璃部分固體、部分液體的本質。

根據原子運動狀態的不同，物質通常可分為固、液、氣3種狀態，3態之間有明顯區別，例如，液態的水和固態的冰，固液兩相即使充分混合仍會存在清晰的邊界。然而，一些最新的研究卻挑戰我們對物態的基本認識，即在極端條件或特殊體系中，單相的物質可以處于既是固態也是液態的奇異狀態，也就是固體中存在部分可以像液體一樣擴散的原子。例如，冰在高溫高壓下，如天王星、海王星等冰巨行星的內部，處于一種奇異的超離子態，氧原子固定在平衡位置附近振動，氫原子則可以像在液體中一樣自由擴散。

使鋰離子在固體中能夠像在液體電解質中一樣快速穿梭，是實現更加安全高效的全固態鋰電池的核心問題之一。因此，這種固體中包含液體的現象吸引著不同領域科學家越來越多的關注。

玻璃是特殊的固體材料，具有超強、超硬、堆積致密等典型的固體特性，以及如同液體一樣無序的原子結構，是典型的復雜體系。玻璃材料在生活中隨處可見，且人類使用玻璃已有上千年歷史。然而，科學家卻無法給出清晰的玻璃微觀結構和動力學圖像。此外，盡管玻璃具有和液體類似的微觀結構，但一般認為其內部原子均已失去像液體一樣大范圍運動的能力，故玻璃通常被稱為凍結的液體。

該研究中，研究人員通過實驗在金屬玻璃中發現了類液原子。

一般而言，在實驗上，直接觀測原子的運動頗為困難。該研究中，研究人員使用動力學激發的方式去探究玻璃內部的原子運動，即當外加擾動的頻率與內部原子運動的頻率相當時，原子運動與外場發生共振吸收，從而在實驗中能測量到特征的損耗峰。研究重點關注的是金屬玻璃在低溫下出現的損耗峰，即快弛豫峰。與以往研究相比，這一動力學模式觀察到金屬玻璃中存在超出傳統認識的運動更快的原子。

研究對大量不同體系動力學激活能的測量表明，快弛豫的激活能和高溫液體動力學的激活能保持一致。研究發現，在室溫下部分具有局部無序拓撲環境的Al原子會發生類似熔化的長程擴散行為，并呈現出鏈狀運動的特征。這種鏈狀運動在高溫液體中已產生，且隨溫度降低越來越顯著，直至在玻璃固體中表現為低溫下的快動力學模式，意味著類液原子的繼承本質上是對鏈狀運動模式的繼承。

研究人員認為，對于金屬玻璃中類液原子的研究，加深了科學家對于玻璃本質的認識，即玻璃態其實是一種部分是固態、部分是液態的奇異狀態。這種新的物理圖像澄清了玻璃在低溫下快弛豫模式的起源，并將有助于構建玻璃的動力學-性質關系。此外，金屬玻璃中類液原子和結構無序的關聯也對探索其他固體物質中的超快擴散帶來啟發，如超離子態的結構起源、固體電解質的離子遷移等。