克服挑戰(zhàn)！香港城大科學家突破玻璃結(jié)構(gòu)之謎

【中玻網(wǎng)】玻璃是我們每天看到常見的物體之一，但這種非金屬和非液體材料的詳細結(jié)構(gòu)一直是科學界的一大謎團。由香港城市大學（城大）科學家共同領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功發(fā)現(xiàn)，非晶和結(jié)晶金屬玻璃具有相同的結(jié)構(gòu)積木。正是這些塊之間的連接性區(qū)分了材料的結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)闡明了對玻璃結(jié)構(gòu)的理解。

玻璃是一種非結(jié)晶的無定形固體，在日常生活中具有廣泛的實際和技術(shù)用途。除了用于窗戶的鈉鈣玻璃外，還有許多其他類型的玻璃，如金屬玻璃。玻璃相材料神秘而特殊：在外面，材料表現(xiàn)得像固體，但在內(nèi)部，它看起來像液體一樣無序。因此其結(jié)構(gòu)長期以來一直是科學研究的重點。

(a)紅球是Pd和Ni原子，而藍球代表P原子。橙色多面體代表富含Pd的小簇，藍色多面體代表富含Ni的小簇。僅顯示部分小集群以供說明。(b)。邊緣共享方案構(gòu)建6M-TTP集群示意圖。

城大物理系講座教授兼物理系系主任王迅禮教授共同領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了玻璃固體與其結(jié)晶對應(yīng)物之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，這是了解非晶詳細結(jié)構(gòu)的突 破材料。這項工作發(fā)表在《自然材料》上，題為“A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline state”。

該論文的共同第 一作者藍思博士（右）和吳振鐸（中）在阿貢國家實驗室先進光子源的同步加速器X射線衍射實驗中進行了調(diào)整。

玻璃的結(jié)構(gòu)一直是一項巨大的科學挑戰(zhàn)，王教授說。

與由稱為晶胞的基本構(gòu)件的周期性堆疊（長程有序）組成的結(jié)晶固體不同，玻璃材料沒有長程有序。但是玻璃材料在短程(2-5Å)和中程(5-20Å)甚至更長的長度尺度上都具有有序結(jié)構(gòu)。然而，由于材料的無定形性質(zhì)導(dǎo)致缺乏對比度，科學家們很難通過實驗確定中程有序的性質(zhì)。因此，無定形材料與其結(jié)晶對應(yīng)物之間是否存在中等范圍或更長時間尺度的結(jié)構(gòu)聯(lián)系仍然是一個科學謎。進一步使問題復(fù)雜化的是，無定形材料通常會結(jié)晶成不同成分的相，具有非常不同的底層結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊。

藍思博士（右）、王迅利教授（右二）和學生在城大使用小角度X射線儀器檢查Pd-Ni-P金屬玻璃樣本。

為了克服這一挑戰(zhàn)，該團隊通過準確控制高溫下金屬玻璃（鈀-鎳-磷(Pd-Ni-P)合金）的加熱來捕獲中間結(jié)晶相。

該團隊隨后采用了不同的先進結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，包括高分辨率透射電子顯微鏡、高精度同步加速器X射線衍射和自動計算機圖像分析。通過比較處于非晶態(tài)和中間晶態(tài)的金屬玻璃（合金）的結(jié)構(gòu)，該團隊發(fā)現(xiàn)兩種形式的合金共享相同的構(gòu)建塊，即六元三端三角棱鏡簇（6M-TTP）。由鈀、鎳和磷原子組成。該團隊還得出結(jié)論，正是簇之間的連通性區(qū)分了結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)。

我們的實驗研究表明，連接非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊，例如Pd-Ni-P金屬玻璃的三角棱鏡簇，可以很好地擴展到中等長度尺度，大約為幾十埃（Å)，這可能是非晶材料的普遍特征。這一發(fā)現(xiàn)有力地表明，玻璃的結(jié)構(gòu)與其結(jié)晶對應(yīng)物的區(qū)別主要在于結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊的連接性，王教授說。

研究人員認為，了解無定形材料的分子結(jié)構(gòu)對于新材料的設(shè)計至關(guān)重要，因為結(jié)構(gòu)決定了性能。我們的實驗研究揭示了非晶材料在擴展長度尺度上的結(jié)構(gòu)。這將大大有助于我們找出玻璃結(jié)構(gòu)，王教授補充道。

來源：中玻網(wǎng)