非晶合金中β-弛豫结构起源的计算模拟研究

Due to the special atomic structures, amorphous alloys have many fascinating properties and therefore, hold the potential to revolutionize the field of high-tech & advanced materials. But, the poor understanding of the fundamental physical issues in amorphous alloys becomes the bottleneck to hinder new materials developments and their further applications. Although substantial findings have revealed that the β relaxation clearly correlates with the properties of amorphous alloys, such as the mechanical properties, the stability etc., there has been no agreement on the microscopic origin of the β relaxation and therefore it is still an open question. In this study, we choose a series of representative binary amorphous alloy systems as the objects and employ the molecular dynamic method combining with the first-principles calculations and related experimental results to investigate the difference of β relaxation behaviors in a bunch of systems with different structural heterogeneity and dynamic heterogeneity distributions. Based on this study, we could uncover the physical nature and structural origins of β relaxation and further the understanding of the correlations between β relaxation and macroscopic properties, such as plastic deformation etc., then the related structural origins. We believe this proposal may offer a solution to establish the reliable structure-properties correlations in amorphous alloys and provide the theoretical basis for the comprehensive tuning of their performance.

由于其独特原子结构所赋予的特殊物性，非晶合金在诸多高科技新材料领域拥有潜在的应用前景。但人们对非晶合金中存在的一些基础物理问题的认识不足成为了制约高性能新材料开发、应用及推广的瓶颈。非晶合金在玻璃转变温度以下的结构弛豫，即β弛豫，是与该材料力学性能、稳定性等宏观物性密切关联的纳米尺度行为，但其结构起源及物理本质仍然是非晶领域长期争论的重要基础物理问题之一。本课题选取一系列有代表性的二元非晶合金体系为研究对象，运用基于合金势函数的经典分子动力学方法，结合第一性原理计算和相关实验结论，采取人为调控其结构不均匀性和动力学不均匀性两种手段，研究体系β弛豫特性的差异，揭示非晶合金中β弛豫的结构起源及物理本质，并尝试理解β弛豫与低温塑性间关联及其结构起因，帮助人们进一步认识非晶合金结构与物性关联，为实现对其性能的综合调控提供理论依据和可行性方法，对促进非晶合金产业的发展有着重要的意义。

非晶合金因具有不同于晶态材料的特殊物性，在能源、信息、国防和航空航天等领域已被广泛应用。然而，现有材料理论无法准确地描述和理解非晶体系的结构和物性，使得新型高性能非晶合金研发面临极大挑战，因此开展非晶合金研究具有基础研究和应用研发的重大科学意义。大量的研究表明非晶合金的结构弛豫与该材料力学性能、稳定性等宏观物性密切关联，但其控制因素及物理本质仍然是非晶领域长期争论的重要基础物理问题之一。本项目以计算模拟和理论分析为主要研究手段，结合先进的实验研究技术，从原子层次和非均匀性的视角探索非晶合金的结构弛豫行为，主要研究成果概括为：（1）证明非晶合金原子结构短程序不是其结构弛豫的控制因素，发现了结构弛豫的微观动力学非均匀性机制；（2）阐明了非晶合金结构局域失稳基本单元的快动力学属性，建立了其空间关联长度与结构弛豫动力学的本征关联，揭示了非晶合金结构失稳力温等效性的原子尺度机制。基于以上研究成果，彻底澄清了非晶合金领域关于“控制非晶结构稳定的微观因素是否为某种结构短程序（如二十面体）”的长期争论，建立了非晶结构弛豫特性与其微观动力学过程的非均匀性之间的关联，为进一步以微观动力学的新视角探索建立非晶结构弛豫模型提供了前提基础和理论依据。以第一/通讯作者发表论文18篇，其中Phys. Rev. Lett. 2篇、Nat. Commu. 1篇、Adv. Mater. 1篇、PNAS 2篇、Acta Mater. 2篇、Phys. Rev. B 2篇。应邀在国内外非晶材料、计算材料为主题的重要学术会议做大会报告和邀请报告8次，组织和参与组织国际会议并担任主席/分会主席2次。培养博士生3名，博士后3名。