金屬玻璃的超快年輕化

【中玻網】近日，中國科學院力學研究所蔣敏強研究員與國內外研究人員合作，在玻璃材料舒緩老化方面取得重要進展，初次在實驗上實現了一種典型金屬玻璃在超快時間尺度內結構的較端年輕化。相關成果以“Ultrafast extreme rejuvenation of metallic glasses by shock compression”為題，發表在Science Advances 5:eaaw6249(2019)。

　　亞穩態的玻璃材料具有向熱力學平衡態的自發老化（aging）趨勢，同時伴隨著材料性能的劣化。但是，通過外部能量輸入，老化的玻璃物質能夠重新實現結構的年輕化（rejuvenation）。這一反老化（anti-aging）過程一方面有助于對玻璃復雜動力學行為的基本理解，另一方面也有利于玻璃材料的工程應用。近年來，針對具有廣泛應用前景的金屬玻璃材料，一系列基于非仿射變形的結構年輕化方法被提出，以期對材料的力學、物理性能進行有效調控。但是，之前所有的年輕化方法都工作在較低應力水平且需要足夠長的時間尺度，因此，具有很大的局限性。

　　研究人員基于輕氣炮裝置的雙靶板平板撞擊技術，實現了典型鋯設立資金屬玻璃在約365納秒（人眨一次眼所需時間的百萬分之一）內快速年輕化到一種高焓較端無序狀態。該技術的挑戰性在于對金屬玻璃施加幾個GPa量級的單脈沖加載和瞬態自動卸載，從而避免剪切帶、層裂等材料動態失效；同時，通過控制飛片撞擊速度，可使金屬玻璃的快速年輕化“凍結”在不同水平。

　　研究人員從熱力學、多尺度結構和聲子動力學“玻色峰”三個角度，對金屬玻璃的超快年輕化過程進行了一體研究，揭示出玻璃結構年輕化源于納米尺度團簇以“剪切轉變”模式誘導的自由體積產生。基于這一物理機制，定義了一個無量綱Deborah數，解釋了金屬玻璃超快年輕化的時間尺度可能性。該工作使實現金屬玻璃結構年輕化的時間尺度提高了至少10個數量級，拓展了這類材料的應用領域，也加深了人們對玻璃超快動力學的認知。

　　中國科學院力學研究所和西安交通大學聯合培養的博士生丁淦是論文作者，蔣敏強研究員為通訊作者，中國科學院物理研究所汪衛華院士為共同通訊作者。中國科學院力學研究所是論文單位。該項研究工作得到了國家青年科學設立資金、國家自然科學設立資金重大項目、中科院青促會等資助。