Стекло — это некристаллическое аморфное твердое вещество, которое широко используется в практических и технологических целях в повседневной жизни. Помимо натриево-кальциевого стекла, используемого в окнах, существует множество других типов стекол, таких как металлическое стекло. Стеклофазный материал таит в себе множество загадок: снаружи он ведет себя как твердое тело, но внутри он выглядит беспорядочно, как жидкость. Так что его структура долгое время активно изучалась.
Группа исследователей во главе с профессором Ван Сюньли, заведующим кафедрой физики и заведующим кафедрой физики в CityU, обнаружила структурную связь между стеклянным твердым телом и его кристаллическим аналогом, что является прорывом в понимании детальной структуры аморфного вещества. Работа была опубликована в Nature Materials и описывает, что аморфное и кристаллическое металлическое стекло имеют одинаковые структурные строительные блоки. И именно связь между этими блоками отличает кристаллическое и аморфное состояния материала.
В отличие от кристаллического твердого тела, состоящего из периодического наложения (дальний порядок) фундаментальных строительных блоков, известных как элементарные ячейки, стеклянный материал не имеет дальнего порядка. Но стеклянный материал имеет упорядоченные структуры на коротких (2–5 Å) и средних (5–20 Å) и даже более длинных масштабах. Однако из-за отсутствия контраста из-за аморфной природы материала ученым было трудно экспериментально определить природу среднего порядка. В результате оставалось сциентистской загадкой, существует ли какая-либо структурная связь на средних или более длинных масштабах между аморфным материалом и его кристаллическими аналогами. Проблема усугубляется тем, что аморфный материал часто кристаллизуется в фазу разного состава с очень разными лежащими в основе структурными строительными блоками.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда исследователей захватила промежуточную кристаллическую фазу с помощью точного контроля нагрева металлического стекла (сплава палладий-никель-фосфор (Pd-Ni-P)) при высокой температуре.
Впоследствии группа использовала различные передовые методы структурного анализа, включая просвечивающую электронную микроскопию с высоким разрешением, высокоточную синхротронную дифракцию рентгеновских лучей и автоматизированный компьютерный анализ изображений. Сравнивая структуры металлического стекла (сплава) в его аморфном и промежуточном кристаллическом состояниях, команда обнаружила, что обе формы сплавов имеют один и тот же строительный блок, который представляет собой шестичленный кластер трехгранной тригональной призмы (6M-TTP) состоящий из атомов палладия, никеля и фосфора. Команда также пришла к выводу, что именно связь между кластерами различает кристаллическое и аморфное состояния.
Исследователи полагали, что понимание молекулярной структуры аморфного материала имеет жизненно важное значение для разработки новых материалов, поскольку структура определяет свойства. Прошедшее экспериментальное исследование пролило свет на структуру аморфных материалов на больших масштабах. Эти данные могут сыграть серьёзную роль в раскрытии и понимании структуры стекла.
