【中玻網(wǎng)】玻璃是我們每天看到常見(jiàn)的物體之一，但這種非金屬和非液體材料的詳細(xì)結(jié)構(gòu)一直是科學(xué)界的一大謎團(tuán)。由香港城市大學(xué)（城大）科學(xué)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(duì)玻璃結(jié)構(gòu)的理解。

　　玻璃是一種非結(jié)晶的無(wú)定形固體，在日常生活中具有廣泛的實(shí)際和技術(shù)用途。除了用于窗戶(hù)的鈉鈣玻璃外，還有許多其他類(lèi)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(lái)像液體一樣無(wú)序。因此其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)。

　　(a)紅球是Pd和Ni原子，而藍(lán)球代表P原子。橙色多面體代表富含Pd的小簇，藍(lán)色多面體代表富含Ni的小簇。僅顯示部分小集群以供說(shuō)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(duì)應(yīng)物之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，這是了解非晶詳細(xì)結(jié)構(gòu)的突 破材料。這項(xiàng)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(lán)思博士（右）和吳振鐸（中）在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源的同步加速器X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了調(diào)整。

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

　　與由稱(chēng)為晶胞的基本構(gòu)件的周期性堆疊（長(zhǎng)程有序）組成的結(jié)晶固體不同，玻璃材料沒(méi)有長(zhǎng)程有序。但是玻璃材料在短程(2-5Å)和中程(5-20Å)甚至更長(zhǎng)的長(zhǎng)度尺度上都具有有序結(jié)構(gòu)。然而，由于材料的無(wú)定形性質(zhì)導(dǎo)致缺乏對(duì)比度，科學(xué)家們很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定中程有序的性質(zhì)。因此，無(wú)定形材料與其結(jié)晶對(duì)應(yīng)物之間是否存在中等范圍或更長(zhǎng)時(shí)間尺度的結(jié)構(gòu)聯(lián)系仍然是一個(gè)科學(xué)謎。進(jìn)一步使問(wèn)題復(fù)雜化的是，無(wú)定形材料通常會(huì)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(lán)思博士（右）、王迅利教授（右二）和學(xué)生在城大使用小角度X射線(xiàn)儀器檢查Pd-Ni-P金屬玻璃樣本。

　　為了克服這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)準(zhǔn)確控制高溫下金屬玻璃（鈀-鎳-磷(Pd-Ni-P)合金）的加熱來(lái)捕獲中間結(jié)晶相。

　　該團(tuán)隊(duì)隨后采用了不同的先進(jìn)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(xiàn)衍射和自動(dòng)計(jì)算機(jī)圖像分析。通過(guò)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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?cái)U(kuò)展到中等長(zhǎng)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(duì)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(shuō)。

　　研究人員認(rèn)為，了解無(wú)定形材料的分子結(jié)構(gòu)對(duì)于新材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定了性能。我們的實(shí)驗(yàn)研究揭示了非晶材料在擴(kuò)展長(zhǎng)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(bǔ)充道。