西安交大材料创新设计中心在《先进材料》发文

人们通常见到的合金都是晶体。然而，当结晶被快冷抑制之后，得到的合金虽然外表看上去与常规合金无异，内部却已完全不存在晶体结构，如图1中左图所示。周期表中大多数元素及其组合，都能够以非晶态存在, 例如，非晶态的单质Ta、Au，二元、三元乃至多元的Ni-B、Cu-Zr、Ce-Al、Mg-Cu-Y、Fe-Si-B、Sc-Sb-Te、Pd-Ni-Cu-P、Zr-Cu-Ni-Al等等。这带来了大量的新材料、各种各样的新性能、以及新的加工成型方法，从而开辟了一个平行于常规合金的新维度。

对于常规合金，材料科学的基本思路，是在“晶格点阵+缺陷”的框架下，通过调控微观组织结构（如晶粒、晶界、位错、成分偏析、孪晶、层错、析出相、相变……）来实现所追求的性能。然而，这一知识体系不再适用于微观结构上“无定型”的非晶态合金（在高分辨电镜下，非晶态合金的结构呈图1中的“迷宫花样”）。所以，亟须以新的视角认知非晶态结构，并系统性地创立其与性能的关系。这一基础科学问题，教科书中没有现成答案，在给材料科学带来严重挑战的同时，也提供了创新的机会。

图1 液态浇铸获得的非晶态合金与其内部结构。左一：液体快速冷却时跃过晶化而成为玻璃态。其外观如通常合金，但内部无晶体结构：高分辨电镜照片如左二所示。第一性原理分子动力学模拟得到的内部局域原子构型如右侧两幅图所示。其中原子间绘制的短线并非表示定向键合，而是用于暗示原子与其最近邻原子之间的直接接触关系，构成配位多面体。不同颜色的球代表不同的化学元素，右图中粉色为Pt、绿色为Zr。该非晶合金的结构看似无序，而虚线勾画的模体标示了该结构中的代表性基元。

近日，西安交大材料创新设计中心马恩教授在《先进材料》（Advance Materials）上以《控制非晶态合金形变与相变的关键结构基元》（Key structural motifs underlying the unusual deformation flexibility and phase-change propensity in amorphous alloys）为题发表论文，总结了团队分析非晶态合金原子尺度结构的系统结果，特别是针对不同合金性能，识别对其起决定作用的关键结构基元。具体来说，通过计算、模拟与实验表征，在原子尺度上理解非晶态合金复杂的结构特征，揭示了不同构型基元（短、中程化学有序和拓扑有序的局域特征模体）的类别。在复杂多样的局域变体中，发现、定义、归类了一系列典型模体（其中一例如图1右图所示），即不同合金（包括不同组元系统或同组元构成但不同成分比例时）的重要结构基元。有章可循的结构框架提供了解决具体结构-性能关系的创新思路。论文以“模体基元分布具有本征非均匀性”为视角，倡导“关键结构基元控制性能”的理念，指出非晶态合金不同的形变、相变表现，各自受控于不同类的关键基元。基于这一核心观点，提出以关键基元为抓手，有的放矢地改变非晶态结构以影响形变、相变机制，以实现超出通常预期的非晶态行为或高于相应晶体合金的表现。

该论文综合性地澄清了非晶材料领域关于非晶态合金结构的十个基本问题。文章最后就下一步的努力方向提出了前瞻性的十个观点与建议。

作者单位为材料创新设计中心，依托金属材料强度全国重点实验室。

全文见链接：http://doi.org/10.1002/adma.202515726