Matter：结构非平均摆布金属玻璃变形才具

　　活动天地进步的全科学边界学术出版社，细胞出版社特与“中原科学院青年创新煽动会”闭营开设“青促会述评”专栏，以期拉长学术互动，煽动国际互换。

　　2023年第四期（总第132期）专栏文章，缘故自华夏科学院力学讨论所钻研员、中科院青促会优异会员蒋敏强，就 Matter中的论文宣告述评。

　　一提到玻璃，众人的第一影象是很脆，例如玻璃杯或镜子不把稳掉在地上时时出现“破镜难重圆”气象。比较于玻璃，绝大多半金属则阐扬出延性，在断裂失效前可以塑性征服乃至惊动。即使将金属元素制备成玻璃，酿成玻璃态的金属键即所谓的“金属玻璃”，那么在载荷功效下真相浮现出玻璃的脆性仍然金属的延性？研究展现，金属玻璃的断裂失效兼具玻璃和金属双重属性。凭借于组分元素、制备工艺和载荷条件，它们不妨如二氧化硅玻璃那样发作满堂脆性断裂，也可以如低碳钢那样经历昭着的塑性变形而发作颈缩失效，但大个人情状是介于两者之间，即塑性变形高度部分化变成10纳米标准的剪切带，进而导致宏观灾变破坏。解析上述失效模式的临界改观机理看待金属玻璃动作布局材料的工程行使相称要叙，但在拓扑无序编制中搜索“组织-性能”联络具有极大的寻事性。

　　近日，来自浙江大学以及美国加州大学欧文分校和伯克利分校的连系团队，接纳高分辨透射电子显微镜（high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM）在位加载和表征本事连接分子动力学效法，显现出金属玻璃塑性变形模式从颈缩到剪切带的变革源于短表率和中典型在无序构造中空间散布非匀称水平的差异。该团队为了撤废化学要素非均匀的侵扰，以一种单原子钽金属玻璃为模型编制，样品尺寸为直径约20纳米的纳米线。阅历电脉冲惩罚，制备取得了2种分辩形式的拉伸样品。一种是采纳单次电脉冲焊接在拉伸加载台的纳米线样品（称为”as-welded, AW”），而另一种则进一步对焊接样品实行几次低能量电脉冲处罚得回（称为”electropulse-annealed, EA”）。随后的在位拉伸完成泄漏，AW金属玻璃发扬为颈缩失效（图1A），而EA样品的失效是剪切带模式（图1B）。履历速快傅里叶互换对变形样品的衍射强度分解，研讨团队浮现颈缩样品的平均原子间距随变形险些没有改观，讲明应力驱动构造体胀（无序化）与局域重排介导细密（有序化）这两个较量历程在变形中处于动力学平衡样子；反之，发生剪切带的样品变形是体胀主控的，再现为平均原子体积的拉长。由于这两种样品的尺寸、加载条款和初始原子体积都简直相同，磋议团队推测考查考察到的别离变形模式应当与金属玻璃固有的组织非平均热诚相闭。

　　为了阐明这一揣摩，探讨团队选用分子动力学因袭开展了钽金属玻璃纳米线的单轴拉伸加载以及短中榜样组织表征。为了对应尝试的EA和AW形式，全班人制备了粗劣量老化态和高能量年轻态两种样品。步武终结很好地浸现了HRTEM尝试调查：老化态（EA）产生剪切带，而年轻态（AW）发作颈缩。图2认识了两种变形效法样品的短程序和中圭表演化。了结大白，相对付老化态样品，年轻态初始布局中短轨范的分布相对芜杂，畸变水平更高，表示出更为明显的布局非匀称。作陪着剪切带造成，老化态构造中的较为和平的二十面体短表率逐渐被捣鬼，而年轻态的颈缩则奉陪着二十面体在空间上均匀成核以及体积分数拉长。商酌团队还对短圭表连接而成的中样板结构举行了贯通，涌现老化态样品具有高密度的中榜样搜集组织，而中轨范在年轻态样品中未造成大准绳的汇集构造。随着加载，前者导致应力纠集，引起短中模范布局的局域捣鬼，导致部分化剪切带酿成，而后者则在空间上匀称繁茂，宥恕样品的通盘变形，结果产生颈缩失效。

　　这些发现清爽地展示了金属玻璃变形模式及其蜕化的构造起首，胀动了人们对拓扑无序组织与力学性能联系的认知，同时也有助于具有卓着力学功用纳米准则金属玻璃的工程研发。该事故以“Structural heterogeneity governing deformability of metallic glass”为题，不日揭橥在Cell Press旗下期刊Matter上。

　　（C和D）两种样品的一维速速傅里叶退换衍射图谱；虚线嗾使了第一峰位置随变形的演化。

　　（A）两种样品初始布局中Voronoi多面体的统计分布，仅统计了体积分数超过1%的多面体。

　　（B）两种样品中畸变二十面体（0,1,10,2）和完满二十面体（0,0,12,0）体积分数随变形的演化。

　　（C）老化态样品在应变0%（未加载）和25%（剪切带变成）时二十面体密度的空间宣扬。

　　（D）年轻态样品在应变0%（未加载）和35%（颈缩酿成）时二十面体密度的空间散布。

　　金属玻璃的变形技术强烈依附于玻璃所经历的热力刑罚过程，后者决计了玻璃的能量形式和微观原子构型。本事件，论文作者接纳电脉冲完成了对单原子钽金属玻璃纳米线变形技艺的宽域调控，使玻璃透露类液态晃动或脆性断裂。在原子序法式固有的结构非平均主控了金属玻璃的塑性和变形蜕化。体验追踪原子重排的应变演化，作者挖掘颈缩变形源于空间上局限原子序的弥散、特别撒播，而中程序网络的扩张拦阻了变形，导致了脆性断裂。本酌量为解析金属玻璃的结构-效力相干提供了新的认知，对具有卓越力学功效纳米圭表金属玻璃的设计具有要紧谈理。

　　蒋敏强，华夏科学院力学推敲所探求员、博士生导师，华夏科学院大学岗位教授。2009年卒业于中科院力学所，获固体力学博士学位。现为中科院力学所学位委员会副主任、非线性力学国家要点测验室副主任，被选中科院特聘焦点考虑岗位、中科院青促会优秀会员。首要从事非晶态固体力学、报复动力学等方面的磋议，在PRL, Sci. Adv., JMPS, Acta Mater.等期刊宣布学术论文100余篇。2020年获国家自然科学奖二等奖（3/5），2021年获国家卓绝青年科学基金扶助，曾获国家卓越青年科学基金、德国“洪堡学者”奖学金、英国麦克斯韦青年作者奖、中科院卢嘉锡青年人才奖等。

　　华夏科学院青年革新感动会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月树立，是中科院对青年科技人才进行综闭教育的创新作为，旨在经过有效机合和称赞，团结、凝聚全院的青年科技事务者，拓宽学术视野，激昂相互交流和学科交叉，晋升科研活跃陷阱才具，培植培育新一代学术技艺发动人。