克服挑戰！香港城大科學家突破玻璃結構之謎

【中玻網】玻璃是我們每天看到常見的物體之一，但這種非金屬和非液體材料的詳細結構一直是科學界的一大謎團。由香港城市大學（城大）科學家共同領導的研究小組成功發現，非晶和結晶金屬玻璃具有相同的結構積木。正是這些塊之間的連接性區分了材料的結晶態和非晶態。這些發現闡明了對玻璃結構的理解。

玻璃是一種非結晶的無定形固體，在日常生活中具有廣泛的實際和技術用途。除了用于窗戶的鈉鈣玻璃外，還有許多其他類型的玻璃，如金屬玻璃。玻璃相材料神秘而特殊：在外面，材料表現得像固體，但在內部，它看起來像液體一樣無序。因此其結構長期以來一直是科學研究的重點。

(a)紅球是Pd和Ni原子，而藍球代表P原子。橙色多面體代表富含Pd的小簇，藍色多面體代表富含Ni的小簇。僅顯示部分小集群以供說明。(b)。邊緣共享方案構建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導的研究小組發現了玻璃固體與其結晶對應物之間的結構聯系，這是了解非晶詳細結構的突 破材料。這項工作發表在《自然材料》上，題為“A medium-range structure motif linking amorphous and crystalline state”。

該論文的共同第 一作者藍思博士（右）和吳振鐸（中）在阿貢國家實驗室先進光子源的同步加速器X射線衍射實驗中進行了調整。

玻璃的結構一直是一項巨大的科學挑戰，王教授說。

與由稱為晶胞的基本構件的周期性堆疊（長程有序）組成的結晶固體不同，玻璃材料沒有長程有序。但是玻璃材料在短程(2-5Å)和中程(5-20Å)甚至更長的長度尺度上都具有有序結構。然而，由于材料的無定形性質導致缺乏對比度，科學家們很難通過實驗確定中程有序的性質。因此，無定形材料與其結晶對應物之間是否存在中等范圍或更長時間尺度的結構聯系仍然是一個科學謎。進一步使問題復雜化的是，無定形材料通常會結晶成不同成分的相，具有非常不同的底層結構構建塊。

藍思博士（右）、王迅利教授（右二）和學生在城大使用小角度X射線儀器檢查Pd-Ni-P金屬玻璃樣本。

為了克服這一挑戰，該團隊通過準確控制高溫下金屬玻璃（鈀-鎳-磷(Pd-Ni-P)合金）的加熱來捕獲中間結晶相。

該團隊隨后采用了不同的先進結構分析技術，包括高分辨率透射電子顯微鏡、高精度同步加速器X射線衍射和自動計算機圖像分析。通過比較處于非晶態和中間晶態的金屬玻璃（合金）的結構，該團隊發現兩種形式的合金共享相同的構建塊，即六元三端三角棱鏡簇（6M-TTP）。由鈀、鎳和磷原子組成。該團隊還得出結論，正是簇之間的連通性區分了結晶態和非晶態。

我們的實驗研究表明，連接非晶態和結晶態的結構構建塊，例如Pd-Ni-P金屬玻璃的三角棱鏡簇，可以很好地擴展到中等長度尺度，大約為幾十埃（Å)，這可能是非晶材料的普遍特征。這一發現有力地表明，玻璃的結構與其結晶對應物的區別主要在于結構構建塊的連接性，王教授說。

研究人員認為，了解無定形材料的分子結構對于新材料的設計至關重要，因為結構決定了性能。我們的實驗研究揭示了非晶材料在擴展長度尺度上的結構。這將大大有助于我們找出玻璃結構，王教授補充道。

來源：中玻網