Science Advances：金屬玻璃中控制Johari-Goldsteinβ弛豫的結構重排

【引言】

非晶態材料的原子重排是其基本性質之一，對于抵抗流變和控制物性演化至關重要。此外，由于本征無序，非晶態材料具有多種弛豫動力學，由皮秒尺度的快弛豫過程到上千年的老化和濃縮。理解原子重排是如何控制著弛豫過程，是非晶態物理領域值得關注的問題。特別值得注意的是被稱為“Johari-Goldstein弛豫”，也被稱作次級弛豫或β弛豫。

Johari和Goldstein發現，在一些剛性分子的玻璃態物質中，一些β弛豫必須包含整個分子的運動，而不僅與分子內自由度有關。它們屬于和α弛豫有強關聯的特殊的弛豫類型。為與其他起源于分子內部的次級弛豫區分，Ngai和Paluch引入了Johari-Golsteinβ弛豫的概念。β弛豫對于理解非晶態物理和材料科學中許多未得到解決的關鍵問題有著重要意義，包括液體動力學和反常現象、擴散、物理老化、聚合物和非晶合金的力學性能，同時，和離子液體的電導率以及非晶態藥物、生物材料的穩定性密切相關。

盡管其意義重大，β弛豫的結構起源仍沒有得到確定。根據已有的一些實驗和模擬結果，提出了一種通過原子協同運動的理論模型，但還未完全闡明其本質。

【成果簡介】

β弛豫是過冷液體和玻璃的本征特性，對于非晶態材料的許多性質都至關重要，但是其根本形成機制仍未得以建立。近日，華中科技大學于海濱教授和美國亞利桑那州立大學的Ranko Richert教授、德國哥廷根大學的Konrad Samwer教授合作開展了相關研究工作，其研究成果以“Structural rearrangements governing Johari-Goldstein relaxations in metallic glasses”為題發表在Science Advances上。本文提出在非晶態物理中，存在著另一個與溫度弱相關的、皮秒量級的短時(快)β弛豫。通過微秒時間尺度的分子動力學模擬來研究金屬玻璃模型中的原子重排情況。發現單一粒子位移的分布顯示出多峰值，其位置與對分布函數滿足一定的定量關系。這些被看成是協同鏈狀激發的結構特征。此外，鏈狀運動的最可能時間與通過在寬溫度范圍內動力學模擬觀測得到的β弛豫時間相符合，與理論模型一致。該研究結果為長久以來的β弛豫的結構起源難題提供了深刻見解。

【圖文導讀】

圖1：Ni80P20非晶合金的弛豫圖。

該圖顯示α弛豫時間由中間散射函數和動態力學譜決定，β弛豫時間鏈狀運動的最可能弛豫時間是溫度和溫度倒數的函數。

VFT: Vogel-Fulcher-Tammann；

CM：耦合模型

圖2：Ni₈₀P₂₀非晶合金中原子的鏈狀運動。

(A)圖為T=440K時,不同時間間隔δt的原子位移的概率密度函數p(u,δt)；(B)T=440K時的徑向分布函數g(r)；

(C))T=440K，δt=100ns時，原子位移的二維向量場。紅（藍）色向量為位移

量大于（小于）1.8 ?的原子；

(D)模擬得到的典型的三維線狀結構。

圖3：線狀運動的動力學演化。

該圖顯示不同溫度下，快速運動的總原子數中，隨時間變化的線狀結構的原子所占比例。

圖4：動態力學譜揭示的β弛豫現象。

(A-D)Ni₈₀P₂₀非晶合金在測試周期分別為100ns（A），30ns(B),10ns(C),3ns(D)時的損耗模量E"；

(E)基于非晶合金的協同剪切模型的原子結構和重排的示意圖；

(F)隨原子位移變化的勢函數情況。

【總結】

本工作實現了對非晶合金模型的微秒級分子動力學模擬，比傳統的分子動力學模擬時間尺度提高了10²到10³倍。用模擬再現實驗上的動態力學譜，從而獲取非晶合金的β弛豫的最重要特征，說明非晶合金是以鏈狀(string-like)形式實現的結構激活，鏈狀運動的最可能時間與β弛豫時間在較寬溫度范圍內可以很好地符合。綜上結果顯示，非金合金中鏈狀的原子重排可能是β弛豫的結構起源，這是至今得到的最可信的證明。

文獻鏈接：Structural rearrangements governing Johari-Goldstein?relaxations in metallic glasses?(Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701577)

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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