力學所揭示玻璃態物質年輕化新機制

　　長程無序的玻璃物質，由于處于熱力學亞穩態，其動力學具有自發的老化行為。玻璃老化常伴隨物理、力學等性能的劣化。因此，如何使老化的玻璃態物質重新年輕化，實現性能的恢復，近年來得到越來越多的關注，其中的關鍵是探究玻璃結構年輕化的物理機制。目前，普遍認為，玻璃年輕化源于在外部能量激勵下局域結構重排導致的自由體積產生；年輕化程度可定量表征為玻璃被加熱至玻璃態轉變前釋放的熱焓。然而，中國科學院力學研究所蔣敏強研究員等通過實驗發現，該物理機制以及表征參數不適用于嚴重老化的金屬玻璃，故不具備普適性。

　　該研究通過長時間低溫退火制備了嚴重老化且結構穩定的鋯基金屬玻璃。進一步，研究在玻璃態轉變溫度附近，對該玻璃施加從滯彈性、屈服到流動的均勻壓縮變形，從而得到一系列結構年輕化態。通過測量這些不同年輕化狀態玻璃的高溫（450K-750K）和低溫（1.9K-100K）比熱，研究定量分析了玻璃態轉變前的熱焓釋放、玻璃態轉變過程中的有效熱焓變化以及原子振動玻色峰這三個參數隨結構年輕化的演化。結果表明，該嚴重老化玻璃的結構年輕化不對應于體系自由體積的產生即熱焓釋放，而是通過局域結構重排使自由體積在空間重分布實現。這表明通過降低結構的力學穩定性可實現玻璃年輕化，而玻璃的整體能量水平不一定增加。研究還發現，隨著玻璃進入穩定流動狀態，上述表征年輕化的三個物理參數均各自趨于飽和值，從而首次確定玻璃結構年輕化的上限是“凍結”的穩態流動狀態。該研究加深了科學家對玻璃結構年輕化機制的理解，并建議玻色峰是更適合定量表征玻璃年輕化的物理參數。

　　近日，相關研究成果以Structural rejuvenation of a well-aged metallic glass為題，發表在Fundamental Research上。研究工作得到國家自然科學基金面上項目“金屬玻璃的結構年輕化研究”、國家杰出青年科學基金項目“非晶態固體力學”、重大項目“無序合金的塑性流動與強韌化機理”的支持。

（左）玻璃態轉變前的熱焓釋放、原子振動玻色峰、玻璃態轉變過程中的有效熱焓變化隨結構年輕化的演化；（右）嚴重老化玻璃結構年輕化新機制的勢能形貌示意圖。