福耀科技大學蔣建中團隊《Adv Sci》：金屬玻璃β-弛豫原子級結構特征研究成果

金屬玻璃中的

-弛豫作為其主要動力學行為之一，深刻影響著材料的力學性能、結構穩定性及玻璃轉變過程。盡管該現象已被發現數十年，但由于缺乏直接的實驗證據，其微觀結構起源及物理機制始終是困擾學界的一大難題。

為解決這一挑戰，福耀科技大學新材料與新能源學院蔣建中教授團隊聯合浙江大學王曉東副教授團隊與國家同步輻射研究中心包志文博士，在國際期刊《Advanced Science》上發表了題為“Atomic-Level Structural Characteristics of

-Relaxation in Metallic Glasses”的研究論文。福耀科技大學蔣建中教授、浙江大學王曉東副教授及國家同步輻射研究中心包志文博士為論文共同通訊作者。

研究團隊創新性地采用原位同步輻射X射線衍射（HEXRD）、X射線吸收精細結構（XAFS） 與第一性原理分子動力學模擬（AIMD） 相結合的多尺度研究方法，首次在原子尺度上成功捕捉到

-弛豫過程中的動態結構信號，并揭示了其與局部原子堆垛和化學環境的內在關聯（圖1-3）。

圖1. Pd40Cu40P20金屬玻璃的DMA/DSC圖譜及其相關

-弛豫的分析，同時展示了在不同 n 值下體積、密度、徑向分布函數和配位數的熱演化行為。(a) 過去25年來研究玻璃材料中

-弛豫的主要方法（淺藍色區域），以及本工作提出的基于同步輻射的結構表征方法（米色區域）。DMA：動態力學分析；DSC：差示掃描量熱法；MD：分子動力學模擬。(b) DMA損耗模量與DSC熱流的溫度依賴性關系。(c) 通過高能X射線衍射在10 K/min升溫速率下測得的靜態結構因子 S ( q )和(d) 對分布函數 G ( r )。(e) 升溫過程中 S ( q )的主峰位置 q 1 與 G ( r )的相應主峰位置 r 1 的溫度依賴性變化。(f) 在 n 分別等于3、2.5和2.31時，歸一化體積隨溫度升高的演化情況。(g) 基于體積和樣品室溫密度計算得出的不同溫度下的對應密度值。(h) 從HEXRD實驗中提取的在425 K時， n 分別為3、2.5和2.31的徑向分布函數，顯示出良好的重疊性。(i) 通過對徑向分布函數的第一個峰進行積分得到的最近鄰配位數的溫度依賴性變化。

圖2. Pd和Cu的K邊原位高溫XAFS譜峰演化。(a) Pd的K邊XAFS譜（未經相移校正的R空間譜圖）。(b-d) 從Pd的K邊R空間譜圖導出的第一峰位置r1、第二峰位置r2和第三峰位置r3的溫度依賴性演化。(e) Cu的K邊XAFS譜（未經相移校正的R空間譜圖）。(f-h) 從Cu的K邊R空間譜圖導出的第一峰位置r1、第二峰位置r2和第三峰位置r3的溫度依賴性演化。圖中紅色虛線為輔助視覺引導線。

圖3. 循環加熱過程中的結構演化。通過HEXRD測得的S(q)主峰位置q1、肩峰位置q1s以及G(r)主峰位置r1的溫度依賴性：(a)-(c) 單向連續加熱至523 K；(d)-(f) 熱循環過程：樣品首先從308 K加熱至393 K，冷卻至308 K，隨后重新加熱至523 K；(g)-(i) 類似的熱循環過程，但首次加熱停止于473 K。所有步驟的升溫和冷卻速率均為10 K/min。

本研究選取具有顯著

-弛豫行為的Pd40Cu40P20金屬玻璃作為模型體系。通過精密的熱力學（DSC）與動力學（DMA）分析，并結合原位高溫 HEXRD 實驗和XAFS實驗，研究團隊發現，當溫度升至

-弛豫激活溫區（約425 K）時，結構因子 S ( q )和對分布函數 G ( r )的主峰位置、體系的體積與密度、以及最近鄰配位數均出現同步的、非線性的“拐點”。這一系列發現首次為

-弛豫提供了直接的、與熱-動力學響應相對應的原位結構實驗證據。為了深入揭示其微觀機制，團隊進一步通過分子動力學模擬，系統比較了具有顯著與不顯著

-弛豫行為的多種金屬玻璃體系（圖4-5）。研究發現，

-弛豫的本質與體系中存在的 “快速運動原子” 密切相關。這些原子通常具有更多的自由體積、更低的配位數以及更長的平均鍵長，并且其周圍傾向于形成特定的Voronoi多面體，如三帽三棱柱型（tricapped trigonal prism）的 〈0, 3, 6, 0〉 。

圖4. 原子擴散能力與靜態結構的第一性原理計算。(a)-(e) 自擴散系數與損耗模量之間的關系。誤差棒表示MSD曲線擬合斜率的標準誤差。(f)-(j) 自由體積分布的擬合峰位。誤差棒表示Gumbel擬合中峰位的標準誤差。(k)-(o) 在各自

-弛豫溫度下，以最小原子為中心的主要Voronoi多面體占比情況（快原子〈 μ 2 〉> 0.5 ? 2 ，慢原子〈 μ 2 〉 < 0.1 ? 2 ），研究對象包括La 50 Al 15 Ni 35 、Pd 40 Cu 40 P 20 、Fe 86 Zr 8 B 6 、La 50 Al 15 Cu 35 和Pd 40 Ni 40 P 20 金屬玻璃。

圖5. Pd40Cu40P20與Pd40Ni40P20金屬玻璃靜態結構對比及Pd40Cu40P20循環加熱過程中DMA譜演變。(a) 450 K時以Cu原子為中心的主要Voronoi多面體占比。Pd40Cu40P20中(b) 〈0, 1,10, 2〉和(c) 〈0, 3, 6, 4〉多面體內Cu原子的分配位數。(d) Cu原子自由體積分布峰位隨溫度的變化。(e) 500 K時以Ni原子為中心的主要Voronoi多面體占比。Pd40Ni40P20中(f) 〈0, 1,10, 2〉和(g) 〈0, 3, 6, 4〉多面體內Ni原子的分配位數。(h) Ni原子自由體積分布峰位隨溫度的變化。(i) 循環加熱過程中損耗模量的溫度依賴性（首次加熱至373 K，后續至473 K，升溫速率3 K/min，頻率1 Hz，RT：室溫）。(j) 鑄態、0.9Tg-3天退火、0.95 Tg-10天退火及再激活樣品的歸一化損耗模量。(k) 0.95 Tg-10天退火樣品在Tg以下的損耗模量曲線放大圖。

研究的一個關鍵突破在于揭示了局部化學環境的決定性作用。在Pd40Cu40P20中，P原子更傾向于與Pd鍵合，這使得Cu原子周圍的化學束縛較弱，形成了更松散、更易動的局部結構。相比之下，在

-弛豫不顯著的Pd 40 Ni 40 P 20 中，更強的Ni-P鍵顯著限制了原子運動。這表明，特定的化學鍵合與原子堆垛共同構成了

-弛豫發生的結構基礎。此外，團隊通過精巧的循環加熱與退火實驗，從結構角度證實了

-弛豫具有不可逆與可逆的雙重特性：加熱至

-弛豫溫區以上會因不可逆的自由體積湮滅而消除其結構信號；而通過高溫“再激活”處理，又可部分恢復其弛豫行為。這為理解

-弛豫的本質及其調控提供了新的視角。

該項研究首次通過原位實驗方法建立了

-弛豫與原子級結構演化的直接關聯，將對該現象的理解從宏觀性能與動力學層面，深刻推進至微觀原子結構層面，為通過理性設計局部化學環境和原子堆垛來調控金屬玻璃的弛豫行為與力學性能奠定了堅實的理論與實驗基礎。

相關重要研究成果以題為《Atomic-Level Structural Characteristics of

-Relaxation in Metallic Glasses》發表在國際期刊《Advanced Science》上 ，online：https://doi.org/10.1002/advs.202518424 。該期刊是Wiley出版社旗下涵蓋材料科學、物理、化學、生命科學和工程學等多學科的權威高水平期刊，以其前沿性和影響力著稱。

【作者簡介】

通訊作者：蔣建中教授，福耀科技大學材料科學與工程學院院長，博士生導師。2004年加盟浙江大學材料學院任教授、博導并榮獲國家自然科學杰出青年基金；2006年榮獲教育部長江學者特聘教授；2009年獲教育部高校優秀科研成果自然科學一等獎（第一完成人）；2011年擔任科技部973項目首席科學家；2012年培養了一篇全國百篇優秀博士學位論文；2014年入選國家“百千萬工程”；2016年獲得國務院特殊津貼。曾負責主持科技部國家重點研發項目、973和863項目、國家自然科學基金委重大、重點、面上和主任基金項目，中德重大國際合作項目，浙江省科技廳重大、重點等項目。主要研究方向：金屬液體、塊體金屬玻璃、金屬玻璃薄膜、同步輻射技術、高熵合金和相變等。在國際期刊Science, Progress in Material Science, Advanced Materials, Science Advances, Matter, Nature Communications, Nano Letters, PNAS, PRL, JACS, Advanced Functional Materials, Acta Materialia, Scientific Reports, APL, PRB等發表論文550余篇，H因子78，引用超過3萬次。他是美國內華達里諾大學、日本東北大學、德國烏爾姆大學、德國DESY同步輻射國家實驗室、澳大利亞新西南威爾士大學、中國科技大學、廈門大學等高校兼任教授或研究員。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。