Иллюстрация: C. Chang et al. / Nature Materials. Китайские физики недавно весьма подробно исследовали полную внутреннюю динамику, сопровождающую механические релаксации металлических стекол при самых различных температурах. Ученые проанализировали ее параметры у множества стекол и жидкостей, а также провели очень 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.

Характерный спектр модуля потерь в металлическом стекле, полученный для частоты колебаний в один герц. C. Chang et al. / Nature Materials

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.

Результат 100-наносекундной симуляции атомов в алюминий-лантановом стекле при температуре 300 кельвин. Желтым цветом обозначены смещения атомов (a) алюминия и (b) лантана. Синие и красные точки, соответственно, обозначают начальные положения этих атомов. C. Chang et al. / Nature Materials

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.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/