Металлические стекла оказались частично жидкими

Китайские физики подробно исследовали внутреннюю динамику, сопровождающую механические релаксации металлических стекол при различных температурах. Они проанализировали ее параметры у множества стекол и жидкостей, а также провели детальные симуляции застеклованных и жидких атомов алюминия и лантана. Ученые доказали, что часть атомов в металлических стеклах движется подобно жидкости по нитеподобным траекториям даже при холодных температурах, что делает такие материалы примером гибридного агрегатного состояния. Исследование опубликовано в Nature Materials.

В обыденной жизни человек имеет дело всего с тремя агрегатными состояниями: газами, жидкостью и твердыми телами. В лабораториях же граница между ними могут размываться. Например, часть атомов твердого тела может быстро по нему перемещаться, напоминая в своем движении жидкость. Наиболее ярким примером такой экзотической фазы стал суперионный лед, в котором ионы кислорода формируют кристаллическую решетку, а ионы водорода свободно между ними перемещаются. Другим примером можно назвать синтетические твердые тела со сверхтекучестью. В этом случае атомы формируют периодическую решетку благодаря оптическим ловушкам.

Вместе с тем, довольно логичным местом поиска такого гибридного состояния кажутся стекла, поскольку их принято считать жидкостями, охлажденными настолько, что они затвердевают в аморфной фазе. Однако достоверно подтвердить, что в стеклах могут существовать жидкоподобные атомы, никому не удавалось, хотя некоторые намеки на такую физику проглядывались в двумерных листах аморфного диоксида кремния и плотноупакованных металлических стеклах.

Китайские физики под руководством Хайя Яна Байя (Hai Yang Bai) из Института физики Китайской академии наук решили детальнее разобраться в этом вопросе. Поскольку быстрая атомная динамика в оксидных стеклах, которая могла бы свидетельствовать о жидкопободном поведении, хорошо объясняется с помощью иерархии химических связей, авторы сфокусировались на металлических стеклах, где межатомное взаимодействие гораздо проще. Они собрали вместе большое количество экспериментальных данных о внутреннем трении в различных металлических стеклах и с помощью симуляций методом молекулярной динамики показали, что их можно интерпретировать как доказательство того, что часть атомов в таких средах ведет себя словно жидкость, текущая по нитеподобным траекториям.

Типичный эксперимент по измерению внутреннего трения заключается в приложении в образцу периодического механического воздействия и наблюдению за тем, как затухание колебаний зависит от частоты и температуры. Зависимость модуля потерь в металлических стеклах от температуры обладает тремя пиками: двумя высокотемпературными (α- и β-релаксации), отвечающими за локальные смещения атомов, и одним низкотемпературным (быстрая релаксация). Последнюю было принято считать предшественником β-релаксации, которая, как ожидалось, превратится в нее по достижении нужной температуры.

Первое, на что обратили физики из группы Байя, стала энергия активации. Они сравнили этот параметр для нескольких металлических стекол (Y_68,9Co_31,1, Ce₇₀Cu₂₀Al₁₀ и Al₉₀La₁₀) и для соответствующих жидкостей с помощью подгонки того, как пика быстрой релаксации зависит от температуры, с помощью уравнения Аррениуса. Оказалось, что в первом случае энергии активации равны 0,60, 0,46 и 0,47 электронвольт, соответственно, а во втором — 0,63, 0,47 и 0,41 электронвольт. Такая близость значений не только намекает на жидкостный характер динамики быстрой релаксации в стеклах, но и подчеркивает его универсальность. Похожий результат дало исследование вязкостей при жидкоподобной релаксации: они оказались близки к значению 10⁷ паскаль-секунд, что сопоставимо с вязкостями соответствующих жидкостей и на шесть порядков меньше, чем вязкости образцов целиком при температуре стеклования.

Однако наиболее убедительным свидетельством стали прямые симуляции методом молекулярной динамики. Физики моделировали 4000 атомов стекла Al₉₀La₁₀ в кубическом ящике с периодическими граничными условиями при различных температурах. Симуляция в застеклованном образце показала, что все атомы лантана колеблются в окрестностях своих положений равновесия. Часть атомов алюминия, напротив, может смещаться на большие расстояния, если области, в которых они находились, сильно разупорядочены.

Более того, оказалось, что совокупности таких участков стекла образуют нитеподобные пути, по которым бежит коллективная атомная жидкость. Другими словами, атомы смещаются по цепочке друг за другом, что выражается в пике парных корреляционных функций их смещений в окрестностях 0,25 нанометров. Скорость нитеподобной диффузии замедляется по мере охлаждения, хотя доля атомов, участвующих в ней, растет. Симуляции оказались в хорошем согласии с результатами опытов при комнатной и низкой температурах.

Проделанная китайскими физиками работа выглядит убедительным доказательством того, что некоторые стекла на самом деле представляют собой гибридное агрегатное состояние, как при комнатной, так и при более холодных температурах. Это делает физику стеклоподобных и аморфных тел еще более загадочной и интересной. 

Новое исследование перекликается с результатами другого моделирования, проделанного недавно японскими физиками. Они также симулировали поведение стекол и обнаружили в них нитеподобные атомные колебания, правда, их целью была интерпретация бозонного пика в аморфных телах. Вероятно, и тем, и другим, могут помочь американские экспериментаторы, которые приспособили электронный микроскоп для трехмерного поатомного сканирования аморфных наноструктур.

Марат Хамадеев