金属玻璃中，赝玻璃转变是β弛豫的热力学表现

来源：中国科学杂志社

华中科技大学国家脉冲强磁场中心于海滨教授课题组使用快速量热分析仪对急速冷却制备的金属玻璃进行研究，在连续升温过程中清晰地捕捉到了明显的赝玻璃转变现象；进一步分析表明，赝玻璃转变是快速冷却金属玻璃中β弛豫的热力学表现。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），华中科技大学于海滨教授和山东大学王峥教授为论文共同通讯作者，华中科技大学博士生杨群为论文第一作者，博士生彭思旭参与了工作。随着时间或温度的变化，非晶态材料的微观结构会发生缓慢变化，这种过程叫做“弛豫”，是理解非晶态转变的关键因素。在液体向玻璃态转变的过程中，会发生α弛豫、β弛豫等多种弛豫现象，其中α弛豫是研究玻璃本质的基础，而β弛豫更加局域且主要存在于玻璃态中。近年来，研究表明β弛豫和α弛豫联系密切，β弛豫是α弛豫的基础和诱导，决定着α弛豫的性质，然而对两者之间关系及其物理本质的研究仍是一大挑战。另一方面，在对极快速冷却法制备的玻璃材料进行加热的过程中，在到达玻璃化转变温度（Tg）、由玻璃态转变为过冷液体之前，还存在复杂的弛豫过程，可以测量到焓弛豫的放热峰和退火诱导的吸热峰，后者也被称为赝玻璃转变（Shadow Glass Transition）。这些过程对理解玻璃物理具有重要意义，但是赝玻璃转变的本质仍然不清楚。在这项工作中，于海滨教授课题组使用快速量热分析仪（Flash DSC，升温速率高达104 K/s），对24种极速冷却制备的金属玻璃，在升温速率超过4个数量级变化的条件下，系统研究了赝玻璃转变的动力学行为。在连续升温过程中，可清晰地扑捉到明显的赝玻璃转变现象（下图a），这说明超高速量热分析仪可以用于对赝玻璃转变动力学行为的研究。Pd40Cu40P20金属玻璃中的赝玻璃转变现象（a）及其与β弛豫之间的联系（b） 结合动态力学分析仪（DMS）测试结果，作者还发现了极速冷却金属玻璃中的赝玻璃转变和β弛豫相关联的实验证据（上图b）：（1）赝玻璃转变和β弛豫遵循相同的时间-温度依赖关系，并且它们在更高温度合并进入主弛豫（即α弛豫或玻璃转变）；（2）在各种金属玻璃中，β弛豫越明显，其赝玻璃转变也更加明显，反之亦然，且二者之间存在定量关系。上述工作表明，赝玻璃转变是快速冷却金属玻璃中β弛豫的热力学表现。该研究不仅有助于更好地理解赝玻璃转变和β弛豫行为，还克服了传统量热方法不能探测非晶态材料β弛豫行为的不足，并建立了玻璃动力学与热力学之间的联系，对玻璃物理的研究具有重要意义。