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作為一種處于非平衡態的新型非晶材料，金屬玻璃會經歷結構弛豫向能量更低的平衡態演化，嚴重影響著金屬玻璃的穩定性及其工程應用。然而，金屬玻璃在室溫下的弛豫機制仍不清楚。一方面，金屬玻璃的弛豫行為非常復雜；另一方面，金屬玻璃在室溫下的弛豫非常緩慢，傳統的實驗手段或模擬方法很難有效的測量或表征。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX4組博士后孫奕韜、趙睿在汪衛華院士、柳延輝、白海洋研究員，中國人民大學李茂枝教授的聯合指導下，對幾種典型金屬玻璃體系進行長時間尺度的分子動力學模擬，并利用循環應變加載技術加速金屬玻璃的弛豫，觀測到了金屬玻璃的室溫弛豫并進行了系統的表征。研究發現，在玻璃轉變溫度以下，幾種典型金屬玻璃體系的弛豫動力學均呈現出以Kohlrausch–Williams–Watts (KWW) 函數為特征的擴展指數衰減，并且特征擴展指數均為β≈3/7，而金屬玻璃在過冷液相中的弛豫行為則表現為β≈3/5的KWW衰減模式（如圖1所示）。這些結果表明金屬玻璃在室溫下的弛豫具有普適性。進一步，通過應力弛豫實驗發現，不同成分的金屬玻璃在玻璃轉變溫度以下的較大溫度范圍內都呈現β≈3/7為特征的應力衰減，為金屬玻璃室溫弛豫的普適性提供了實驗證據（如圖2所示）。通過對金屬玻璃體系內的空穴進行表征,發現空穴總體積隨著老化過程的演化也呈現出β≈3/7為特征的KWW動力學模式（如圖3所示）。金屬玻璃在老化過程中的結構演化，可以認為是體積較大的空穴逐漸湮滅的過程。
這些結果構建了無序體系從高溫簡單液體到室溫玻璃態的完整弛豫動力學圖像：隨著溫度降低，無序體系的弛豫機制從β=1簡單指數弛豫（簡單液體）逐漸演化到β~3/5擴展指數弛豫(過冷液體)；溫度進一步降低，演化為以β=3/7為特征的玻璃態弛豫機制。這種具有明顯特征的玻璃弛豫機制為進一步理解玻璃和玻璃轉變的本質提供了新的證據。
相關研究成果以“Distinct relaxation mechanism at room temperature in metallic glass”為題，于2023年2月1日在Nature Communications上在線發表。孫奕韜和趙睿為論文的共同第一作者，孫奕韜和李茂枝教授為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃(2018YFA0703600),國家自然科學基金(52001230,52031016,51825104,11790291,61888102,51871234)，中科院戰略性先導科技專項(XDB30000000)，中國博士后科學基金(2022T150691)，和材料基因組研究平臺等的資助和支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36300-x
標簽： 金屬玻璃
