Science Advances：金属玻璃中控制Johari-Goldsteinβ弛豫的结构重排

【引言】

非晶态材料的原子重排是其基本性质之一，对于抵抗流变和控制物性演化至关重要。此外，由于本征无序，非晶态材料具有多种弛豫动力学，由皮秒尺度的快弛豫过程到上千年的老化和浓缩。理解原子重排是如何控制着弛豫过程，是非晶态物理领域值得关注的问题。特别值得注意的是被称为“Johari-Goldstein弛豫”，也被称作次级弛豫或β弛豫。

Johari和Goldstein发现，在一些刚性分子的玻璃态物质中，一些β弛豫必须包含整个分子的运动，而不仅与分子内自由度有关。它们属于和α弛豫有强关联的特殊的弛豫类型。为与其他起源于分子内部的次级弛豫区分，Ngai和Paluch引入了Johari-Golsteinβ弛豫的概念。β弛豫对于理解非晶态物理和材料科学中许多未得到解决的关键问题有着重要意义，包括液体动力学和反常现象、扩散、物理老化、聚合物和非晶合金的力学性能，同时，和离子液体的电导率以及非晶态药物、生物材料的稳定性密切相关。

尽管其意义重大，β弛豫的结构起源仍没有得到确定。根据已有的一些实验和模拟结果，提出了一种通过原子协同运动的理论模型，但还未完全阐明其本质。

【成果简介】

β弛豫是过冷液体和玻璃的本征特性，对于非晶态材料的许多性质都至关重要，但是其根本形成机制仍未得以建立。近日，华中科技大学于海滨教授和美国亚利桑那州立大学的Ranko Richert教授、德国哥廷根大学的Konrad Samwer教授合作开展了相关研究工作，其研究成果以“Structural rearrangements governing Johari-Goldstein relaxations in metallic glasses”为题发表在Science Advances上。本文提出在非晶态物理中，存在着另一个与温度弱相关的、皮秒量级的短时(快)β弛豫。通过微秒时间尺度的分子动力学模拟来研究金属玻璃模型中的原子重排情况。发现单一粒子位移的分布显示出多峰值，其位置与对分布函数满足一定的定量关系。这些被看成是协同链状激发的结构特征。此外，链状运动的最可能时间与通过在宽温度范围内动力学模拟观测得到的β弛豫时间相符合，与理论模型一致。该研究结果为长久以来的β弛豫的结构起源难题提供了深刻见解。

【图文导读】

图1：Ni80P20非晶合金的弛豫图。

该图显示α弛豫时间由中间散射函数和动态力学谱决定，β弛豫时间链状运动的最可能弛豫时间是温度和温度倒数的函数。

VFT: Vogel-Fulcher-Tammann；

CM：耦合模型

图2：Ni₈₀P₂₀非晶合金中原子的链状运动。

(A)图为T=440K时,不同时间间隔δt的原子位移的概率密度函数p(u,δt)；(B)T=440K时的径向分布函数g(r)；

(C))T=440K，δt=100ns时，原子位移的二维向量场。红（蓝）色向量为位移

量大于（小于）1.8 Å的原子；

(D)模拟得到的典型的三维线状结构。

图3：线状运动的动力学演化。

该图显示不同温度下，快速运动的总原子数中，随时间变化的线状结构的原子所占比例。

图4：动态力学谱揭示的β弛豫现象。

(A-D)Ni₈₀P₂₀非晶合金在测试周期分别为100ns（A），30ns(B),10ns(C),3ns(D)时的损耗模量E"；

(E)基于非晶合金的协同剪切模型的原子结构和重排的示意图；

(F)随原子位移变化的势函数情况。

【总结】

本工作实现了对非晶合金模型的微秒级分子动力学模拟，比传统的分子动力学模拟时间尺度提高了10²到10³倍。用模拟再现实验上的动态力学谱，从而获取非晶合金的β弛豫的最重要特征，说明非晶合金是以链状(string-like)形式实现的结构激活，链状运动的最可能时间与β弛豫时间在较宽温度范围内可以很好地符合。综上结果显示，非金合金中链状的原子重排可能是β弛豫的结构起源，这是至今得到的最可信的证明。

文献链接：Structural rearrangements governing Johari-Goldstein relaxations in metallic glasses (Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701577)

本文由材料人计算材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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