科學家在解開玻璃的“大科學”結構之謎方面取得突破性進展

據外媒報道,玻璃是我們每天最常見的物體之一,但這種非金屬和非液體材料的詳細結構一直是科學界的一大謎團。一個由香港城市大學科學家共同領導的研究小組成功地發現,非晶態和晶態的金屬玻璃具有相同的結構構塊。而正是這些構件之間的連接性區分了材料的晶態和非晶態。這些發現闡明了對玻璃結構的理解。

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玻璃是一種非晶無機非金屬材料,在日常生活中有着廣泛的實用和技術用途。除了用於窗戶的鈉鈣玻璃,還有許多其他類型的玻璃,如金屬玻璃。玻璃相材料是神秘而特殊的:在外面,材料表現得像固體,但在裡面,它卻像液體一樣無序地出現。所以它的結構長期以來一直是科學研究的重點。

由香港城市大學物理系主任、講座教授王迅禮教授共同領導的研究小組,發現了玻璃固體與晶體固體之間的結構聯繫,這對了解非晶態材料的詳細結構是一個突破。這項工作發表在《自然-材料》上,題目是 “連接非晶態和晶態的中程結構圖案”。

“玻璃的結構一直是一個巨大的科學挑戰,”王教授說。

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與由被稱為晶胞的基本構件的周期性堆疊(長程有序)組成的晶體固體不同,玻璃材料沒有長程有序。但是玻璃材料在短程(2-5 Å)和中程(5-20 Å),甚至更長的長度尺度上都有有序結構。然而,由於材料的無定形性質導致缺乏對比,科學家很難通過實驗確定中程秩序的性質。因此,在中程或更長的長度尺度上,無定形材料和其晶體對應物之間是否存在任何結構聯繫,仍然是一個科學上的謎。使問題進一步複雜化的是,無定形材料往往會結晶為不同成分的相,具有非常不同的基本結構塊。

為了克服這一挑戰,研究小組通過精確控制金屬玻璃(鈀-鎳-磷合金)在高溫下的加熱,捕獲了一個中間結晶相。

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該團隊隨後採用了不同的先進結構分析技術,包括高分辨率透射電子顯微鏡、高精度同步輻射X射線衍射和自動計算機圖像分析。通過比較金屬玻璃(合金)在無定形和中間結晶狀態下的結構,研究小組發現兩種形式的合金都有相同的構件,即由鈀、鎳和磷原子組成的 “六元三端三角稜鏡簇(6M-TTP)”。研究小組還得出結論,正是這些團簇之間的連通性區分了晶態和非晶態。

“我們的實驗研究表明,連接非晶態和晶態的結構構件,如Pd-Ni-P金屬玻璃的三稜柱簇,很可能延伸到中程長度尺度,即幾十Å的量級,這可能是非晶態材料的一個普遍特徵。” 王教授說:“這一發現強烈地表明,玻璃的結構與其晶體對應物的區別主要在於結構構件的連接。”

研究人員認為,了解非晶態材料的分子結構對新材料的設計至關重要,因為結構決定性能。“我們的實驗研究闡明了非晶態材料在擴展長度尺度上的結構。這將大大有助於我們弄清玻璃的結構,”王教授補充說。