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非晶“杰出青年科学家奖”代表性研究成果展播—曾桥石

中国材料大会2017暨银川国际材料周”于7月6日-7月12日在银川举办在7月9日举办的非晶与高熵合金分会开幕式上,杰出青年科学家奖(Outstanding Young Scientist Awards)揭晓,5名在非晶领域取得突出成果的优秀青年科学家获得了此项殊荣,其中包括金属玻璃的高压原位同步辐射技术研究青年专家,曾桥石


杰出青年科学家奖(Outstanding Young Scientist Awards)是由液态金属科技公司(Liquid Metal)公司和宜安科技集团2016年创设,每年颁发一次,每次奖励5名在非晶领域取得突出成果的38岁以下优秀青年科学家,旨在促进非晶合金科学研究的进步和发展。

杰出青年科学家-曾桥石

曾桥石博士于2005年在浙江大学材料科学与工程专业获得工学学士学位,于2010年在浙江大学材料科学与工程专业获得工学博士学位。曾于2017年至2019年在美国卡内基研究院和美国阿贡国家实验室联合培养,2011年至2014年在美国斯坦福大学从事博士后研究,2014年至2015年在美国卡内基研究院担任研究科学家。2015年入选中央组织部“第十一批千人计划青年人才项目”,同年9月全职回国工作。由于突出的科研成果,他曾获得过多种荣誉奖励。其中,2009年获由邓小平稿费设立的“全国青少年科技创新奖”博士组奖励,2012年获教育部“全国百篇优秀博士论文奖”。

代表性论文之一:

中文介绍:

过去的一百多年里,晶体学的发展取得了巨大的成功,让我们能够精确确定晶态材料内部原子堆积的细节信息,去帮助我们理解材料性能和指导材料设计。但是,对于“无序”的玻璃材料,其原子结构缺乏简单的对称性和规律性,我们对其理解非常困难。过去几十年里,经过不断的努力,人们已经基本确定玻璃的结构不是“完全无序”:有由近邻原子构成的团簇内部的“近程有序”,还有团簇之间构建的中程有序。一个有趣的问题是,玻璃中的“有序”到底能扩展到什么范围?以何种形式存在?但是,在更长程范围里,现有理论模型和实验技术对其结构的理解和精确描述却往往无能为力。

 

我们利用高压原位同步辐射x射线衍射技术,对一种成分为Ce75Al25的金属玻璃条带进行了常温下的压缩实验。当压缩到25万个标准大气压的压力(25GPa)时,这种金属玻璃突然转变成了一种面心立方的单晶结构。通过反复的实验,我们进一步发现这种生成的单晶结构的晶体取向不是随机的,而是和初始条带样品有确定的几何关系。例如:面心立方的[1-10]方向和金属玻璃条带的厚度方向平行,而面心立方的[111]方向和条带的长度方向平行。经过一系列诊断实验,我们排除了单一晶核的快速长大、样品内部的残留应力、压力环境的梯度等可能因素,也证明了样品是均匀的非晶态。所有证据最后都表明这一现象只和样品内部的隐含长程原子结构有关。

 

通过分子动力学模拟,我们发现这种玻璃态的样品虽然在各种检测下表现典型的“无序特征”,但是其原子结构其实可以保留Ce和Al都固有的面心立方的长程原子拓扑关系。在压力下,由于Ce原子尺寸的大幅度收缩,原有非晶结构失稳,而隐含的面心立方长程拓扑关系使得其通过相邻原子位置的局域调整即可“重现其晶体的记忆”—形成具有固定晶体学取向的面心立方单晶。这种现象类似于具有规则网格的渔网,揉成一团后看似无序,一展开即可恢复其长程周期有序的网格形态。也类似在操场上刚宣布解散的阵列队伍,其虽然看似无序,但是只需要指挥员一声令下,具备马上恢复规则阵列的能力。

 

我们这一结果在物质结构的两种极端形式——非晶和单晶之间通过压力诱导相变,构建了直接的联系,揭示了金属玻璃中其他实验技术和手段难以探测到的长程拓扑有序结构,开辟了认识玻璃结构的另外一种途径。


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