近日，中山大学物理学院、先进超快光子科学中心、广东省磁电物性分析与器件重点实验室周舟副教授团队，与中法核工程与技术学院孟凡强教授、中国科学院东莞材料科学与技术研究所马东研究员等合作，从高温熔体的原子结构出发，揭示了某些同分熔化合金比共晶合金更易形成玻璃的微观机制，为金属玻璃的成分设计提供了新的视角。相关成果发表于《Advanced Science》。
PHYSICS
金属玻璃又称非晶合金，其原子排列长程无序，在精密结构件、软磁器件等领域具有重要应用价值。长期以来，研究人员通常遵循Turnbull判据，在低熔点共晶成分附近寻找玻璃形成能力较强的非晶合金。然而，在Ti-Cu、Zr-Cu等合金体系中，人们发现一些同分熔化（金属间化合物）成分虽然熔点更高，却比邻近的共晶成分更易形成金属玻璃，挑战了“共晶合金具有最强玻璃形成能力”的传统认知。对于这一反常现象，现有文献主要从形核动力学或对竞争晶相生长的抑制作用加以解释，虽能给出部分说明，但仍存在较大争议。因此，“共晶与否”成为非晶研究领域一个亟待回答的问题。
研究团队另辟蹊径，从高温熔体的局域结构入手破解这一难题。他们以Ti-Cu合金为模型体系，采用激光加热气动悬浮技术并结合高能同步辐射X-射线衍射，原位获取了悬浮Ti-Cu合金熔体的全散射数据；进而利用团队自主开发的能量最小化增强-逆蒙特卡洛方法（EM-RMC），将实验数据与原子间相互作用势相结合，精确重构了高温熔体及玻璃态的三维原子构型。分析发现，与共晶合金Ti27Cu73相比，同分熔化合金Ti50Cu50的熔体具有更高的团簇多样性和更强的团簇关联性：熵驱动的团簇多样性产生几何阻挫，阻碍晶体形核；焓驱动的团簇关联性则稳定熔体结构，增加原子重排的能量势垒。玻璃转变过程中，团簇向高五重对称结构的选择性转变进一步强化了抗结晶作用，从而提升玻璃形成能力。该研究揭示了反常玻璃形成能力的熔体结构起源，表明决定玻璃形成能力的并非成分是否位于共晶点，而是熔体的结构复杂性，为金属玻璃的成分设计提供了新思路。
图1 熔体结构复杂性主导的反常玻璃形成能力
论文题目为“To Be or Not to Be Eutectic: Anomalous Glass Forming Ability Governed by Melt Structural Complexity”。中山大学为第一署名单位，物理学院博士生陈伟与松山湖材料实验室博士后魏学睿为共同第一作者，周舟副教授、孟凡强教授，马东研究员、吕志超副研究员为共同通讯作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助，相关实验得到上海光源BL12SW线站的支持。
