香港城大科學家為解開玻璃結構之謎邁進重要一步

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玻璃是我們常見的日用品之一,但這種既非金屬、又非液體材料的詳細結構,一直是科學界一大謎團。一支由香港城市大學(香港城大)科學家共同領導的科研團隊,最近便發現,原來非晶態及晶態的金屬材料在結構上有關連,兩者具有相同的結構單元,而這些結構單元之間的連接方式,正是區分晶態還是非晶態分子排列的關鍵。這次研究成果,為徹底解開玻璃結構之謎邁出重要的一步。

玻璃(Glass)是一種非晶態、無定形固體,在日常生活中有著廣泛的實用和技術用途。除了用於窗戶的鈉鈣玻璃,還存在許多其他類型的玻璃,例如金屬玻璃。“玻璃相”材料(glass phase material)神秘而特殊:從外面來看,玻璃類材料堅固及表現得像是普通固體;但在材料內部,其分子排列卻像液體一樣處於無序狀態。所以它的結構長期以來一直是科學研究的重點。

由香港城大物理學系主任兼講座教授王循理教授共同領導的科研團隊,近日便發現了非晶態的金屬玻璃與晶態的金屬材料,兩者原來存在結構上的關連,這對了解非晶態材料的詳細結構是一個突破。有關研究成果已經在科學期刊《Nature Materials》上發表,題目是〈A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline states〉


王循理教授說:「玻璃的結構本質,一直是一個科學大挑戰的問題。」

普通晶態固體,一般是由被稱為“結構單元”(unit cell)的基本構件,以周期性地重復、長程有序地堆疊而成。至於玻璃類材料(屬非晶態材料)的分子排列,雖然沒有“長程秩序”的排列,但其實它在短程(2-5 Å)和中程(5-20 Å),或稍為更長的距離上,存在一定的排列秩序( 注:Å即格斯特朗Angstrom,又稱埃,是極小的長度單位,一埃等如0.1納米,即100億分之一米)。

可是,由於玻璃類材料的無定形性質導致缺乏可對比的對像,令科學家很難通過實驗去確定玻璃的“中程秩序”的性質。因此,在中程或更長距離尺度上,無定形(非晶態)玻璃類材料和晶態材料之間是否存在任何結構上的關連,至今在科學上,仍然是一個謎。令這問題更棘手的是,無定形材料通常會結晶化變成不同成分的“相”(phase),即具有非常不同的內在基本結構單元,令研究更加困難。

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加熱過程中X射線衍射圖案的演變。一個中間結晶相在大約660K時出現,即圖中的明亮區域(橙黃色位置),而上述明亮區域在更高溫時消失。中間結晶相有一個立方體結構,由6M-TTP團簇的周期性堆疊所組成,這些團簇亦出現在非晶態合金裡。(圖片來源:DOI number: 10.1038/s41563-021-01011-5)

 

為了克服上述挑戰,包括香港城大學者在內的科研團隊通過精確地控制金屬玻璃「鈀-鎳-磷合金(Pd-Ni-P Alloy)」的高溫加熱,成功捕獲了一個“中間結晶相”。該團隊隨即采用了不同的先進結構分析技術,包括高分辨透射電子顯微鏡、高精確度同步輻射X射線衍射和自動化計算機圖像分析。結果通過比較金屬玻璃(合金)在無定形和「中間結晶態”下的結構,研究團隊發現這兩種形式的合金原來都存在相同的結構構件,即由鈀、鎳和磷原子組成的“六元三帽三棱柱團簇(6M-TTP)」。研究小組還得出以下結論:團簇之間不同的連接方式,區分了晶態和非晶態的金屬材料中的原子排列。

「我們的實驗結果顯示,連系起非晶態和晶態的結構構件,如Pd-Ni-P金屬玻璃的三棱柱團簇(TTP),很可能可以延伸到中距離,例如達到幾十個埃(Å)的長度,這有可能是非晶態材料的一個普遍特征。這個發現有力地證明,玻璃的結構與其晶態對應物的主要區別,在於結構構件的連接方式。」王循理教授說。

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上述分子結構模型解釋了中間立方結晶相(intermediate cubic crystalline phase)的結構單元。(a) 紅球是Pd和Ni原子,藍球則代表P原子。圖中橙色的多面體代表富含Pd的小團簇,藍色的多面體代表富含Ni的小團簇。為了清楚起見,圖中只顯示了小團簇的一部分。(b) 顯示通過邊緣共享而構建的6M-TTP團簇示意圖。(圖片來源:DOI number: 10.1038/s41563-021-01011-5)

 

團隊相信,了解非晶態材料的分子結構對新材料的設計至為重要,因為分子結構決定了材料的特性。“我們的實驗研究闡明了非晶態材料在更長距離尺度上的結構,這將大大有助於我們去努力弄清楚玻璃的內部結構。”王教授補充說。

來自南京理工大學(NJUST)、香港城市大學及美國阿貢國家實驗室的科研小組共同領導了今次研究。研究的通訊作者是南京理工大學材料科學與工程學院蘭司教授、美國阿貢國家實驗室高級物理學家任洋博士以及香港城大物理學系王循理教授。

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本論文的共同第一作者蘭司博士(右)和吳楨舵博士(中)在美國阿貢國家實驗室“先進光子源”的同步輻射X射線衍射實驗中作出最後的調整。

 

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蘭司博士(最右)、王循理教授(右二)和學生在香港城市大學使用小角X射線儀器檢查Pd-Ni-P金屬玻璃樣本。

 

研究的共同第一作者是蘭司教授、朱力(南京航空航天大學博士生)、香港城市大學(東莞)研究院吳楨舵博士和中國科學院谷林教授。其他合作的學者包括香港城大工程學院的大學傑出教授劉錦川教授以及香港城大物理學系劉奇博士

這項工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、粵港澳中子散射科學技術聯合實驗室、裘槎基金會、香港特別行政區研究資助局以及中央高校基礎研究基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41563-021-01011-5

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