Wissenschaftler identifizieren flüssigkeitsähnliche Atome in dicht gepackten festen Gläsern

Metallisches Glas ist eine wichtige fortschrittliche Legierung, die für breite technische Anwendungen vielversprechend ist. Es erscheint in vielerlei Hinsicht als feste Form, mit schönem metallischem Aussehen, überragender Elastizität, hoher Festigkeit und einer dicht gepackten Atomstruktur.

Diese allumfassende Vorstellung wurde jedoch nun in Frage gestellt. Prof. Bai Haiyang vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat kürzlich die Existenz von flüssigkeitsähnlichen Atomen in metallischen Gläsern gezeigt. Diese Atome erben die Dynamik von Hochtemperatur-Flüssigkeitsatomen und zeigen die Natur metallischer Gläser als teils fest und teils flüssig.

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturmaterialien.

Kondensierte Materie kann allgemein in festen und flüssigen Zustand eingeteilt werden. Unter extremen Bedingungen oder in bestimmten Systemen existiert Materie in speziellen Zuständen, die gleichzeitig einige Eigenschaften sowohl von Feststoffen als auch von Flüssigkeiten aufweisen. In diesem Fall können Feststoffe schnell diffundierende, flüssigkeitsähnliche Atome enthalten, die sich auch bei niedrigen Temperaturen schnell bewegen können.

Zum Beispiel tritt Eis unter hohem Druck bei hohen Temperaturen in einen „superionischen“ Zustand ein. In diesem Zustand können H-Atome frei diffundieren, während O-Atome in ihren Untergittern fixiert sind. Solche besonderen Zustände werden auch im Erdinneren und in den Li-leitenden Materialien fortschrittlicher Batterien beobachtet, die in Wissenschaft und Technik zunehmend Aufmerksamkeit erregen.

In dieser Studie zeigten die Forscher, dass flüssigkeitsähnliche Atome in dicht gepackten metallischen Gläsern existieren. Durch die Kombination umfangreicher dynamischer Experimente und Computersimulationen fanden sie heraus, dass, wenn die Viskosität einer Flüssigkeit vom Arrhenius-Verhalten abweicht, nicht alle Atome am kooperativen Fluss und der anschließenden Verfestigung teilnehmen. Tatsächlich können einige Atome das flüssige Arrhenius-Verhalten beibehalten, selbst wenn das System auf einen Glaszustand abgekühlt wird, und erscheinen somit als beständige flüssigkeitsähnliche Atome, die bei ziemlich niedrigen Temperaturen zu einer schnellen Relaxation führen.

„Ein glasartiger Feststoff ist im Wesentlichen größtenteils fest und zu einem kleinen Teil flüssig. Selbst bei Raumtemperatur können flüssigkeitsähnliche Atome in einem glasartigen Feststoff genauso leicht diffundieren wie in seinem flüssigen Zustand mit einer experimentell bestimmten Viskosität von nur 107 Pa·s , während die Viskosität des festen Anteils größer als 1013 Pa·s ist“, sagte Prof. Bai.

Diese Befunde liefern ein klareres mikroskopisches Bild der Brille. Dieses neue Bild kann Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie die Eigenschaften von Glasmaterialien mit ihrer Dynamik zusammenhängen. Beispielsweise steuern flüssigkeitsähnliche Atome die Anelastizität von Gläsern und können ihre Duktilität beeinflussen.

Darüber hinaus hat die starke Beziehung zwischen flüssigkeitsähnlichen Atomen und ungeordneten Strukturen auch Auswirkungen auf die Untersuchung des topologischen Ursprungs der schnellen Diffusion in Festkörpern, wie z. B. superionischen Materien und Ionenleitern.