一直以來，在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域有一個非常引人注目的科學(xué)謎團(tuán)，即非晶金屬玻璃中的原子結(jié)構(gòu)本質(zhì)，這阻礙了科學(xué)家對非晶材料性能的認(rèn)識，也延遲了科學(xué)家研發(fā)新型非晶材料的步伐。
　　日前，在國家自然科學(xué)基金項目和科技部“973”計劃項目的資助下，中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組和中國人民大學(xué)物理系教授李茂枝研究組、北京大學(xué)工學(xué)院教授劉凱欣研究組在該領(lǐng)域進(jìn)行合作，發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃衍射數(shù)據(jù)當(dāng)中所隱含的結(jié)構(gòu)上的拓?fù)湫?，終于揭開了這一謎團(tuán)的研究序幕。而他們的成果也被《自然》雜志子刊《自然—通訊》所接收發(fā)表。
　　邁出關(guān)鍵性一步
　　諾貝爾物理學(xué)獎得主P.W.Anderson曾在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章表示，玻璃及玻璃轉(zhuǎn)變的本質(zhì)，可能是固體理論當(dāng)中最為有趣、最深刻且尚未解決的問題之一。
　　金屬玻璃，又稱非晶態(tài)合金，是材料科學(xué)領(lǐng)域中的“后起之秀”。自從上世紀(jì)60年代美國加州理工大學(xué)教授Duwez第一次在實驗室將其制備出后，一直受到各個領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。它也成為研究玻璃轉(zhuǎn)變及非晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型體系。
　　此外，金屬玻璃的出現(xiàn)也為材料學(xué)界帶來了一座“金礦”。
　　“這個材料應(yīng)用得比較廣，在我國有將近1000億元的市場?！蓖粜l(wèi)華在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示，塊體金屬玻璃這類材料應(yīng)用前景極廣，可應(yīng)用于材料、工程、能源、國防和航空航天等領(lǐng)域。比如變壓器里面的鐵芯，以前用的都是硅鋼，現(xiàn)在則主推使用這類材料，因為它的生產(chǎn)過程具有節(jié)約能源、噪音小、降低成本等優(yōu)點；此外，塊體金屬玻璃是新一代穿甲彈的備選材料。
　　但是由于科學(xué)家未能掌握其結(jié)構(gòu)的特征，不知道其原子的排列規(guī)律這成為長期以來這類材料發(fā)展的瓶頸。
　　李茂枝、汪衛(wèi)華及其合作者經(jīng)過近兩年時間，基于大量數(shù)據(jù)分析對比，加上計算機(jī)模擬等方法發(fā)現(xiàn)，金屬玻璃的衍射特征峰背后隱含著金屬玻璃中程序的結(jié)構(gòu)信息。
　　“基于本領(lǐng)域科學(xué)家們大量的前期科研工作，在前人優(yōu)秀科研成果的基礎(chǔ)上，我們又往前邁出了關(guān)鍵的一步?！北本┐髮W(xué)工學(xué)院博士武振偉說，該研究成果同時為進(jìn)一步深入認(rèn)識和理解非晶材料衍射數(shù)據(jù)所隱含的微觀結(jié)構(gòu)信息提供了新的分析方法和思路。
　　在中國人民大學(xué)物理系李茂枝看來，他們其實是在研究非晶結(jié)構(gòu)內(nèi)在的根源。“這樣的發(fā)現(xiàn)，使得我們可以從新的角度認(rèn)識金屬玻璃的結(jié)構(gòu)特征?！?br/>　　從無序到有序
　　人類文明的進(jìn)步與繁榮，是與認(rèn)識和使用材料的歷史緊密聯(lián)系在一起的，正因如此，早期歷史被分為石器時代、銅器時代和鐵器時代。
　　目前非晶材料并不能被人類所完全掌握和充分利用，因為其一大特點是原子排列是混亂的、無序的。金屬玻璃也是如此，是屬于無序材料中的一種。
　　“在研究金屬玻璃時，我們遇到的最重要的問題，就是如何去發(fā)現(xiàn)序并描述它的結(jié)構(gòu)。”汪衛(wèi)華說。
　　對于金屬晶體，其微觀原子結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)分析和表征手段，如X射線衍射或透射電鏡等技術(shù)表征出來。
　　然而，這些分析和表征手段對金屬玻璃的結(jié)構(gòu)分析卻非常有限?！安煌慕饘俨ＡУ玫降膸缀醵际窍嗨频膹浬⒀苌浠雍驼箤挼难苌涮卣鞣?，常規(guī)的分析方法很難區(qū)分出不同金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的差別?！蔽湔駛ケ硎?。
　　近年來，球差電鏡技術(shù)的發(fā)展，使他們對金屬玻璃的短程序有了比較清晰深刻的認(rèn)識。
　　隨后，該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃衍射數(shù)據(jù)當(dāng)中所隱含的結(jié)構(gòu)上的中程拓?fù)湫?，這一序列與晶體中的球周期序有著緊密的聯(lián)系。
　　“從晶體到非晶，我們從兩者之間的深刻聯(lián)系找到了解決問題的突破口?！蔽湔駛ソ榻B說，從無序中發(fā)現(xiàn)有序，是一個避繁就簡的過程，當(dāng)人們試圖站在不同的尺度來理解非晶的結(jié)構(gòu)時，必須把關(guān)注點放在比較重要的主要矛盾上，而忽略掉一些可能帶來干擾因素的次要矛盾。
　　“以前，我們一直是從無序的角度出發(fā)去認(rèn)識這類材料，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這類非晶材料其實和晶體的序是有關(guān)聯(lián)的，這樣我們就可以從晶體角度去認(rèn)識玻璃?！崩蠲φf。
　　開發(fā)新材料是最終目標(biāo)
　　金屬玻璃是采用現(xiàn)代快速凝固冶金技術(shù)阻止金屬合金熔體的晶化而合成的一種新型非晶材料。它具有許多優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，在短短幾十年的探索期間，便已展現(xiàn)出異乎尋常的應(yīng)用潛力。
　　需要指出的是，由于目前的研究階段尚且處于基礎(chǔ)研究，并未能夠完全掌握其中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。使得這類材料受制于尺寸、不穩(wěn)定、比較脆等問題。
　　“只有完全破解其結(jié)構(gòu)信息，掌握其結(jié)構(gòu)本質(zhì)，才能建立明確的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。這樣就可以根據(jù)它的微觀結(jié)構(gòu)來調(diào)控它的宏觀性能，才有可能設(shè)計出更多新型高性能的非晶材料?！崩蠲?qiáng)調(diào)，調(diào)控這類非晶材料才是最終目標(biāo)。
　　材料的結(jié)構(gòu)決定它的性能。比如“碳”，石墨、石墨烯、鉛筆芯、金剛石都屬于“碳”，但是表現(xiàn)出來的性能卻完全不一樣，實際上就是這些材料里面的結(jié)構(gòu)改變了。
　　據(jù)汪衛(wèi)華透露，正是深知非晶金屬玻璃的重要性和現(xiàn)實意義，國家自然科學(xué)基金委把金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系研究作為了今年一個重點支持方向，竭力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，希望能夠建立這種具有極大市場推廣價值的材料的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并且可以最終調(diào)控它，以開發(fā)出新的材料。
　　“我們將會繼續(xù)沿著這條路的方向往前走，爭取更大的突破?！蓖粜l(wèi)華說。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2015-02-16 第8版 基金)