中美科学家合作更快更精确地找到金属玻璃的方法

诸平

Credit: Yale School of Engineering and Applied Science

据美国耶鲁大学工程与应用科学学院（Yale School of Engineering and Applied Science）2021年11月5日提供的消息，中美科学家合作发现了更快更精确地找到金属玻璃的方法（Quicker, more precise way to find metallic glasses）。金属玻璃正被开发用于广泛的应用。这种相对较新的材料甚至比最好的金属更坚固，但具有塑料的柔韧性。然而，寻找合适的元素来制造金属玻璃是一项耗时的任务。由中美科学家组成的一个研究团队，已经发明了一种方法，可以大大减少所需的时间。他们的研究结果于2021年11月4日已经在-《自然材料》（Nature Materials）杂志网站发表——Ming-Xing Li, Yi-Tao Sun, Chao Wang, Li-Wei Hu, Sungwoo Sohn, Jan Schroers, Wei-Hua Wang, Yan-Hui Liu. Data-driven discovery of a universal indicator for metallic glass forming ability. Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01129-6. Published: 04 November 2021. https://www.nature.com/articles/s41563-021-01129-6.参与此项研究的有来自中国科学院物理研究所（Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences）、中国东莞松山湖材料实验室（Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan, Guangdong, China）、中国科学院大学材料科学与光电子工程中心（Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences）、北京材料基因组工程先进创新中心（Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering）以及美国耶鲁大学机械工程与材料科学系（Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Yale University）的科学家。

金属玻璃的特性源于其独特的原子结构:当金属玻璃从液体冷却到固体时，它们的原子随机排列，不像传统金属那样结晶。但是，玻璃形成能力(glass-forming ability简称GFA)，即金属或合金如何容易地变成玻璃是复杂的，人们对此知之甚少。试图量化一种材料的GFA在实验上是复杂的，在计算上也具有挑战性。因此，只有在少数合金中发现了性能的理想组合，目前金属玻璃的使用仅限于高度专业化的应用。为了释放它们的潜力，必须对更广泛的合金进行表征。

研究小组设计了一种方法，这种方法花费了大量的时间和反复试验。他们发现，通过传统的X射线衍射，他们可以计算出一种合金转化为玻璃的容易程度。在这项研究中，他们从12种合金系统中处理了大约5700个X射线衍射图，无论是在数量上还是在质量上都是前所未有的。

耶鲁大学机械工程与材料科学教授Jan Schroers说：“我们可以从X射线衍射图中提取玻璃的信息，这很容易测量。在过去，人们只能说这个材料是不是玻璃。我们现在可以通过观察第一个峰的宽度来区分不同的玻璃。这个宽度告诉我们形成一种玻璃有多容易。”

从实用的角度来看，这意味着寻找新金属玻璃所需的时间大大缩短。使用传统方法，确定一种材料是否比另一种材料制成的玻璃更好，需要一个“非常非常复杂”的过程。

Jan Schroers说：“现在你做一次X射线衍射，你就知道这种玻璃有多好了。世界上有成千上万种不同的晶体，我们可以区分它们，并描述它们的特征。现在我们有机会区分不同的玻璃了。不太像晶体，但通过观察光谱，我们可以得出关于玻璃形成玻璃的能力的结论，这样我们就可以很容易地测量一种性质的结构特征。”

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https://www.nature.com/articles/s41563-021-01129-6

Abstract

Despite the importance of glass forming ability as a major alloy characteristic, it is poorly understood and its quantification has been experimentally laborious and computationally challenging. Here, we uncover that the glass forming ability of an alloy is represented in its amorphous structure far away from equilibrium, which can be exposed by conventional X-ray diffraction. Specifically, we fabricated roughly 5,700 alloys from 12 alloy systems and characterized the full-width at half-maximum, Δq, of the first diffraction peak in the X-ray diffraction pattern. A strong correlation between high glass forming ability and a large Δqwas found. This correlation indicates that a large dispersion of structural units comprising the amorphous structure is the universal indicator for high metallic glass formation. When paired with combinatorial synthesis, the correlation enhances throughput by up to 100 times compared to today’s state-of-the-art combinatorial methods and will facilitate the discovery of bulk metallic glasses.