Glas är ett av de vanligaste materialen vi använder varje dag, men den detaljerade strukturen av detta icke-metalliska och icke-flytande material har alltid varit ett stort mysterium inom vetenskapen. Ett forskarlag som leds av forskare vid City University of Hong Kong (CityU) har framgångsrikt upptäckt att det amorfa och kristallina metalliska glaset har samma strukturella byggstenar. Och det är kopplingen mellan dessa block som skiljer materialets kristallina och amorfa tillstånd. Fynden belyser förståelsen av glasstruktur.

Glas är ett icke-kristallint amorft fast ämne som har utbredd praktisk och teknisk användning i det dagliga livet. Förutom soda-lime-glaset som används i fönster, det finns många andra typer av glas som metalliskt glas. Glasfasmaterial är mystiskt och speciellt:på utsidan, materialet beter sig som ett fast material, men inuti, det verkar lika oordnat som en vätska. Så dess struktur har länge varit i fokus för vetenskaplig forskning.

Ett forskarlag som leds av professor Wang Xunli, Ordförande professor i fysik och prefekt för institutionen för fysik vid CityU, har upptäckt en strukturlänk mellan ett fast glas och dess kristallina motsvarighet, vilket är ett genombrott för att förstå den detaljerade strukturen hos amorft material. Verket publicerades i Naturmaterial , med titeln "Ett medelstort strukturmotiv som länkar amorft och kristallint tillstånd."

"Strukturen av glas har varit en stor vetenskaplig utmaning, sa professor Wang.

Till skillnad från ett kristallint fast material som består av periodisk stapling (långt räckvidd) av grundläggande byggstenar som kallas enhetsceller, ett glasmaterial har ingen lång räckvidd. Men ett glasmaterial har beställt strukturer på kort räckvidd (2 ^-5 Å) och medellång räckvidd (5 ^-20 Å), och ännu längre längdskalor. Dock, på grund av bristen på kontrast till följd av materialets amorfa natur, det var svårt för forskare att experimentellt bestämma karaktären på medeldistansordning. Som ett resultat, det förblev ett vetenskapligt mysterium om det existerar någon strukturell koppling på medelhög eller längre skalor mellan det amorfa materialet och dess kristallina motsvarigheter. Ytterligare förvärrar problemet är att ett amorft material ofta kristalliseras till en fas med olika sammansättning, med mycket olika underliggande strukturella byggstenar.

För att övervinna denna utmaning, teamet fångade en mellanliggande kristallin fas genom exakt kontroll av uppvärmningen av ett metalliskt glas (en palladium-nickel-fosfor (Pd-Ni-P) legering) vid en hög temperatur.

Teamet använde sedan olika avancerade strukturanalystekniker, inklusive högupplöst transmissionselektronmikroskopi, synkrotronröntgendiffraktion med hög precision och automatiserad datorbildanalys. Genom att jämföra strukturerna hos metallglaset (legeringen) i dess amorfa och mellanliggande kristallina tillstånd, teamet upptäckte att båda formerna av legeringarna delar samma byggsten, som är en sexledad trigonal prismakluster (6M-TTP) bestående av palladiumatomer, nickel, och fosfor. Teamet drog också slutsatsen att det var anslutningen mellan klustren som skiljer de kristallina och amorfa tillstånden.

"Vår experimentella studie visar att strukturella byggstenar som förbinder de amorfa och kristallina tillstånden, såsom det trigonala prismaklustret för Pd-Ni-P metalliskt glas, skulle mycket väl kunna sträcka sig till medellängdskalan, i storleksordningen tiotals ångström (Å), vilket skulle kunna vara en universell egenskap för amorfa material. Detta fynd tyder starkt på att glasets struktur skiljer sig från dess kristallina motsvarighet huvudsakligen i sambandet mellan de strukturella byggstenarna, sa professor Wang.

Forskarna trodde att förståelsen av molekylstrukturen hos amorft material var avgörande för utformningen av nya material eftersom strukturen avgjorde egenskaperna. "Vår experimentella studie belyser strukturen hos amorfa material på långa skalor. Detta kommer att räcka långt och hjälpa våra ansträngningar att ta reda på strukturen hos glas, ", tillade professor Wang.