凝聚态无序物质在极端条件下的结构和物性研究

凝聚态无序物质在日常生活、高科技产业和国防建设中发挥着极其重要的作用。极端条件无序物质结构以及物性是目前国际基础科学研究的前沿问题。本项目将采用先进原位高温,高压同步辐射等实验技术和先进的理论模拟手段，系统地开展高温下无序合金液体的原子电子结构随温度变化行为的研究, 测量其密度、电阻率、膨胀系数和热电势等物理性能, 揭示高温合金液体结构与物理性能之间的相关性;系统地开展高压极端条件下无序合金原子电子结构的变化行为,测量电阻率随压力的变化关系,从原子和电子两方面揭示无序合金中非晶态相变的机理;采用先进原位拉伸同步辐射技术,系统地开展拉伸高应力场极端条件下无序合金中原子电子结构的变化行为，观测无序合金中剪切带的形成和发展过程，揭示无序合金材料的脆性本质，为设计新型高强韧组合的无序合金材料提供理论支持,研发出1-2种具有优异综合性能的新型无序合金材料。

本科学研究项目时间为2010年1月至2013年12月，在本项目执行期间，研究工作基本按计划进行，课题组成员相互交流，充分发挥各自的优势，积极认真地从事于本项目所计划的各项任务，利用国内外先进的实验研究手段，例如美国阿贡国家实验室APS和德国汉堡国家实验室DESY同步辐射原位高压X射线衍射（XRD）、同步辐射X射线吸收精细结构分析（XAFS），在电镜中原位拉伸和理论计算模拟（蒙特卡罗方法和第一性原理分子动力学）等技术，系统地对铈基金属玻璃合金体系原子电子结构、高压行为以及高压和低温性能方面进行研究，同时还开展不含f电子无序体系的研究工作。本项目第一次揭示了金属玻璃中可以存在长程拓扑有序，该成果发表在2011年美国Science期刊上，拓宽了人们对玻璃结构的传统理解和认识。从实验上第一次直接地揭示了铈基金属玻璃中4f电子在高压下的非局域化转变导致非晶多形态相变的电子机理，该成果发表在Phys Rev Lett期刊上。第一次在不含f电子Ca-Al无序合金体系中发现非晶多形态相变，该成果发表在2012年隶属于Nature出版集团旗下的Scientific Reports。解释了无序二氧化硅玻璃在高压下氧边X射线吸收谱第二特征峰的出现原因，即高压下硅原子3d空轨道和氧原子2p轨道的杂化作用，该成果发表在2012年隶属于Nature出版集团旗下的Scientific Reports。设计合成了弹性极限高达约7%金属玻璃膜材料，该成果也发表在2012年隶属于Nature出版集团旗下的Scientific Reports。设计合成了世界上最大铜模直接浇铸制备金属玻璃合金材料：73毫米锆基合金体系和具有弯曲缩性的新型Zr基金属玻璃材料。同时，还发现了加热诱导的金属熔体中的近邻原子间距收缩的新现象，该研究成果发表在国际顶级期刊美国科学院院刊(PNAS)上。