根据原子运动状态的差别，物质通常可以分为固、液、气三种状态，三态之间有着明显的区别，比如液态的水和固态的冰，固液两相即使充实混淆仍然会存在清楚的界限。然而，最新的一些研究却挑战我们对物态的基本认识，在非常条件或特殊体系中，单相的物质可以处于既是固态也是液态的奇异状态，即固体中存在部分可以像液体一样扩散的原子。比如冰在高温高压下（如天王星、海王星等冰巨行星的内部）就会处于一种奇异的超离子态，氧原子固定在平衡位置附近振动，氢原子则可以像在液体中一样自由扩散。地球核心也可能处于超离子态，铁原子构成了固体的地核，碳氢氧等轻元素则可以在其中快速活动。我们追求的更加安全高效的全固态锂电池，核心问题之一也是使锂离子在固体中能够像在液体电解质中一样快速穿梭。因此，这种固体中包罗液体的现象正吸引着差别范畴的科学家们越来越多的注意。
玻璃是一种特殊的固体质料，具有超强、超硬、堆积致密等范例的固体特性，同时又具有像液体一样无序的原子结构，是一个范例的复杂体系。固然玻璃质料在生存中随处可见，且人类使用玻璃已有上千年的汗青，科学家们仍然无法给出清楚玻璃微观结构和动力学图像。尽管玻璃具有和液体雷同的微观结构，但人们一样平常认为其内部原子都已经失去了像液体一样大范围运动的本领，玻璃也通常被称为冻结的液体。
迩来，中国科学院物理研究所/北京凝结态物理国家研究中央非常条件物理重点实验室的白海洋研究员，团结中国人民大学李茂枝教授，指导物理所博士生常超、赵睿和博士后张华平等人联合动态力学实验、纳米压痕测试和分子动力学模拟等多种动力学研究手段，发现金属玻璃等精密堆积的玻璃固体中存在继承了高温液体动力学活动的类液原子。这些类液体原子并没有被冻结，他们在室温下仍然可以快速地扩散，有效粘度只有10帕秒，比金属玻璃在的粘度低了至少6个数量级。这一发现突破了玻璃的传统微观图像，显现出金属玻璃部分固体，部分液体的本质。
实验上直接观测原子的运动是一件非常困难的事情，该研究中实验人员使用动力学激发的方式去研究玻璃内部的原子运动。当外加扰动的频率与内部原子运动的频率相当时，原子运动会与外场发生共振吸取，从而在实验中能测量到特性的损耗峰。研究者重点关注了金属玻璃在低温下出现的损耗峰，即快弛豫峰（图1）。这一动力学模式比以往观察到的玻璃内对应原子大范围运动的α弛豫以及对应局域运动的β弛豫都要更快，即金属玻璃中存在着超出传统认识的运动更快的原子。对大量差别体系动力学激活能的测量表明，快弛豫的激活能和高温液体动力学的激活能保持同等（图2）。对比差别弛豫过程的弛豫时间还发现，高温液体的动力学和玻璃固体中的快弛豫满意雷同的Arrhenius关系（图3），意味着在液体冷却过程中，高温液体的动力学模式并没有被完全冻结，一些原子可以连续高温液体的Arrhenius关系至玻璃固体中，导致了玻璃固体室温下的超快滞弹性和低温下的快动力学耗散峰。进一步，研究者使用分子动力学模拟详细表征了La-Al体系中类液原子的运动特性和继承过程。研究发现，在室温下部分具有局部无序拓扑环境的Al原子就会发生雷同熔化的长程扩散活动，并且出现出链状运动的特性（图4）。这种链状运动在高温液体中已经产生（图5），并且会随温度低落越来越明显，直至在玻璃固体中表现为低温下的快动力学模式，意味着类液原子的继承本质上是对链状运动模式的继承。
对于金属玻璃中类液原子的研究，加深了我们对于玻璃本质的认识，即玻璃态其实是一种部分是固态，部分是液态的奇异状态。这种新的物理图像不仅澄清了玻璃在低温下快弛豫模式的起源，也将有助于构建玻璃的动力学-性子关系。例如，这些类液原子会导致金属玻璃室温下明显的滞弹性活动，并很可能和金属玻璃的塑性变形密切相干。别的，金属玻璃中类液原子和结构无序的关联也将对研究其他固体物质中的超快扩散带来启发，如超离子态的结构起源以及固体电解质的离子迁移等。
相干研究结果以“Liquid-like atoms in dense-packed solid glasses”为题名，于2022年8月15日在线发表在Nature Materials上，白海洋研究员为通讯作者，常超、赵睿和张华平为共同第一作者。详细内容拜见链接https://www.nature.com/articles/s41563-022-01327-w。
该研究得到了国家自然科学基金(52192600，61888102，11790291，52031016，51631003)、广东省自然科学基金(2019B030302010)、中国科学院战略性先导科技专项(XDB30000000)、国家重点研发项目(2018YFA0703603)以及博士后基金(2020TQ0346，2021M693372)的支持。
图1：动态力学谱检测到快弛豫过程
图2：快弛豫和高温液体的激活能的关联
图3：YCo金属玻璃的弛豫地图
图4：300 K下AlLa金属玻璃中类液原子的辨认和表征
图5：AlLa体系中链状扩散的继承过程
编辑：黄水机 |
