破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现，非晶中存在着不同尺度的局域有序结构，其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系，同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构，导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析，发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元，其在铸态为长程无序堆积，而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型，并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列，为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

一种可能的ABB型激子超导体

很多学者认为,如果实现激子机制超导电性,那么超导体临界温度T_c将会大幅度提高。但是到目前为止还没有一个激子型超导体问世。因此,激子型超导性能否存在问题比其是否能达到高T_c更为迫切。1973年Bardeen等人提出在半导体和金属之间,如果是化学接结而     

Phase selection rules for complex multi-component alloys with equiatomic or close-to-equiatomic compositions

Abstract Alloying greatly expands the amount of available materials beyond the naturally existing ones, and more importantly offers the material scientists opportunities to initiatively control the composition-structure-property relationship in materials. Since commonly used metallic materials are mostly multi-component alloys, the know-how of alloying through compositional control, certainly plays a critical role in designing materials with desired structure and properties. However, alloying in multi-component alloys is an extremely complicated issue, as the alloyed products could be the amorphous phase, various solid solutions and intermetallic compounds containing two or more alloy components. By narrowing down the scope of the multi-component alloys to those with equiatomic or close-to-equiatomic compositions only, and also aiming at framing out the rules that govern the phase selection upon alloying in multi-component alloys in a broad sense, we have identified here a simple and easily executable two-parameter scheme that can effectively predict the formation of the amorphous phase, solid solutions and intermetallic compounds, in multi-component alloys, simply from the given alloy compositions. We believe this scheme reveals a clear physical scenario governing the phase selection in multi-component alloys, helps to simplify the alloy design, and benefits the future development of advanced metallic alloys like bulk metallic glasses and high entropy alloys.     

上海市灰霾天大气颗粒物浓度及富集元素的粒径分布

利用电称低压冲击仪(electric low pressure impactor,ELPI)在线监测上海市灰霾天和非灰霾天大气颗粒物浓度的粒径分布,并收集0.03～4.4μm粒径段的大气颗粒物.用同步辐射X荧光分析其中K,Ca,Ti,Mn,Cr,Ni,Cu,S,Cl,Zn,As,Pb和Fe等13种元素的粒径分布特征;以Fe为参比元素,根据富集因子定性确定各元素在灰霾天和非灰霾天的污染特征.结果显示,大气颗粒物的质量浓度在灰霾天显双模态结构,在非灰霾天显单模态结构;灰霾天大气颗粒物的粒子数浓度在0.07～0.3μm粒径段内出现明显的峰值.K,Ca,Ti,Cl,Mn,Cr,Zn,As,Pb在非灰霾天显单模态结构,在灰霾天除了K仍显单模态结构外,其余均显双模态结构;Ni,Cu和S在非灰霾天显双模态结构,在灰霾天除Ni出现三模态结构外,仍显双模态结构,但3个元素峰值在非灰霾天和灰霾天变化明显.K,Ca,Ti的富集因子在非灰霾天和灰霾天均为1左右,Mn,Cr的富集因子也小于10,表明K,Ca,Ti,Mn和Cr来自自然源;Cl,Pb,As,Ni,Cu,S,Zn的富集因子在非灰霾天和灰霾天均远大于10,且Ni,Cu,S,Zn的富集因子在灰霾天明显大于在非灰霾天的值.     

金属玻璃异常放热现象与隐藏非晶相变研究进展

金属玻璃因其简单的金属键结合及原子密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。解开玻璃形成液体的微观结构可以探寻玻璃形成能力的秘诀。许多非晶合金体系在玻璃转变点以上、结晶温度以下表现出异常放热现象,暗示在超过冷液相区间隐藏着非晶相变,这一现象的微观结构本质困扰了学界逾四十年。近来,中子和同步辐射散射等大科学装置的发展为揭示隐藏非晶相变的机制提供了原位、无损以及从原子到纳米级别的多尺度"探针"。最新研究发现Pd-Ni-P这一典型的具有异常放热现象的原型非晶合金在临界转变温度处发生了重入超过冷液体转变,其内在微观机制为中程有序结构的演变所导致的液-液相变。同时通过恰当的热处理,人们可以方便地调控这一类非晶合金的微观结构。经过统计几种具有异常放热现象的典型金属玻璃体系的热物理参数,发现异常放热峰可能与玻璃形成能力有一定的关联。金属玻璃中的异常放热现象及其隐藏的非晶相变为开发新型非晶合金体系并改进合金的性能提供了新的思路。     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

纳米粉体水热制备机理的原位研究

水热合成法在制备纳米粉体材料方面具有许多独特的优势,但是由于反应在密闭容器中进行,很难研究清楚反应机理和动力学过程。利用原位检测技术,我们能够实时在线地监测反应过程,获得反应前驱体、相转变以及短寿命中间相的信息,更好地理解成核、结晶生长等动力学过程,进而为材料的可控制备提供依据。根据近年来国内外研究进展,本文全面介绍了基于同步辐射光源的能量色散分辨X射线衍射(EDXRD)、角度分辨X射线衍射(ADXRD)、X射线吸收精细结构谱(XAFS)、小角X射线散射(SAXS)、中子粉末衍射及小角散射(NPD和SANS)以及基于各种光谱(UV-Vis、Raman、FTIR)的原位检测技术和检测装置,以及纳米粉体水热制备机理的原位研究最新进展。     

大激活熵是触发非晶合金记忆效应的关键

非晶/玻璃等非平衡态材料在能量驱动下会逐渐“老化”（ageing），体积和能量状态逐渐降低，这是非平衡态材料的本征特征之一。不同于“老化”的自然演化规律，记忆效应是指非晶合金经历先低温再高温两步退火时，焓或体积会先增加而后降低至平衡态。如果材料或体系达到热平衡态，初态和历史的记忆将被彻底遗忘。半个世纪以来，人们对记忆效应的理解局限于诸如Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型等唯象层面，对其物理起源仍不清楚。通过研究非晶合金在单步和两步退火中的弛豫规律，发现非晶合金中存在从β弛豫向α弛豫的等温转变现象，并进一步发现大激活熵是触发记忆效应的关键。这些结果对理解玻璃等非平衡态材料的物理本质和精准调控其性能具有重要意义。     

微重力下的两相流动和传热及其研究方法

本文对微重力下的两相流动中的几个基本问题、两相流动的主要流型进行了一定的综述，并对微重力下的气液两相流动传热规律的研究方法进行了小结。     

块体金属玻璃过冷液相的高热稳定性与非晶形成能力的原子机制

过去几十年里,从原子尺度理解块体金属玻璃形成过冷液相特性与微结构的关系吸引了材料学家和凝聚态物理学家极大的关注,是此类先进工程金属材料得到实际开发应用的关键之所在。本文综述了前期有关块体金属玻璃有序原子团簇结构随热处理或微量元素添加,演化及其对过冷液相热稳定性、晶化行为和玻璃形成能力影响的研究成果;并聚焦在块体金属玻璃过冷液相中的两类不同原子团簇,即类二十面体原子团簇和类晶体原子团簇。这两类原子团簇的共同存在是块体金属玻璃高热稳定性和纳米晶化的重要因素。通过微合金可以调控过冷金属液相中原子团簇的结构和体积分数,从而进一步推进它们的实际工程或功能性运用。     

植物体内草酸钙的生物矿化

草酸钙晶体在特化的植物晶异细胞内的形成是一种基本的、重要的生理代谢过程.不同植物草酸钙晶体在形态/结构上存在多样性和种间专一性,它们具有特定的尺寸和形貌,并且成核后晶体的生长和特化细胞的发育间存在显著的协同作用,这表明草酸钙的生物合成不是一种简单的化学结晶过程,而是受遗传和生物大分子的精确调控.被塑造的矿化相在特定的膜包覆空间内经历了各自不同的生物化学途径,最终形成热力学稳定相.草酸钙晶体赋予植物许多不同的功能,主要包括对高容量钙的调节和植物自我保护作用,从而间接地反映出植物在不同生境中进化的印迹.本文介绍了草酸钙晶体在植物体内合成的草酸代谢途径、钙的吸收和累积,主要讨论晶体生长过程的植物调节机制以及体外模拟生物分子对草酸钙结晶动力学过程的调控等,以期揭示植物体内草酸钙的生物矿化机制,并为仿生材料合成和人类病理结石的抑制等提供重要线索.     

a-SiN:H薄膜的对靶溅射沉积及微结构特性研究

采用对靶磁控反应溅射技术以N₂和H₂为反应气体在硅(100)和石英衬底上制备了氢化非晶氮化硅(a-SiN:H)薄膜. 利用台阶仪、原子力显微镜、紫外-可见(UV-VIS)光吸收和傅里叶红外透射光谱(FTIR)对薄膜沉积速率、微观结构及键合特性进行了分析. 结果表明, 利用等离子反应溅射可在较低衬底温度条件下(T_s<250℃)实现低表面粗糙度和高光学透过率的a-SiN:H薄膜制备. 增加衬底温度可使薄膜厚度减小, 薄膜光学带隙Eg提高, 薄膜无序度减小. FTIR分析结果表明, 薄膜主要以Si-N, Si-H和N-H键合结构存在, 随衬底温度增加, 薄膜中的键合氢含量减小, 而整体键密度和Si-N键密度增加. 该微观结构和光学特性的调整可归因衬底温度升高所引起的衬底表面原子迁移率和反应速率的增加.     

NaCl盐的结晶形态及在莫高窟壁画疱疹病害中的作用

盐溶解、结晶作用造成的疱疹病害是引起敦煌莫高窟壁画颜料脱落的重要原因。对导致盐害的主要成分及其存在形态和作用机理进行了深入研究。微观上可溶盐(NaCl、Na₂SO₄、CaCl₂)和微溶盐(CaSO₄)结晶以小晶粒或者包裹一些非晶体物质团聚态的形态赋存在壁画孔隙中,盐结晶的聚集体一般呈立方体或近立方体状。病害的形成是由于可溶盐和微溶盐之间的溶解-结晶相互作用。Na₂SO₄结晶或水合物收缩孔隙,降低了NaCl结晶对孔隙的局限压。     

探索多组分体系高分子相变复杂性的真谛

笔者首先介绍了单组分物质在气液固三态之间的转变,然后介绍了在二元溶液体系中如何采用类比移植的方法进行科学研究,接着介绍基于这一方法对多组分体系高分子的相分离和结晶所展开的研究,两种相变的相互作用揭示了高分子相变复杂性的真谛。     

分子动力学模拟Ag-Pd 双金属团簇中不同位置Ag 原子偏析诱导的异常熔化

在双金属团簇中任意两种元素表面能的差别都会在团簇形成时产生偏析, 从而影响团簇的熔化、原子排布和结构. 因此双金属团簇中原子偏析行为的研究可以为新型纳米结构的可控制备提供理论基础. 本文用分子动力学结合嵌入原子方法研究了分布在团簇的核心层和亚表面层的Ag 原子偏析对(AgPd)₁₄₇ 团簇熔化的影响. 结果表明Ag 在Pd 团簇的不同位置时能量不同,在表面层时最稳定, 其次是核心层, 最后是亚表面层. 这造成了核心层的Ag 原子偏析到团簇的亚表面层时, 团簇原子能量随温度的增加而增大. 而亚表面层Ag 原子的偏析会使团簇原子能量随温度的增加而减小. 这种异常熔化的程度与偏析原子个数有关. 这为双金属团簇熔化行为的调节提供了有效途径.     

聚焦电子束诱导碳沉积实现纳米线表面可控修饰

作为一种典型的准一维纳米材料,纳米线具有纳米材料所特有的小尺寸效应或纳米曲率效应,经表面修饰的纳米线一般具有不同于普通纳米线的特殊性质.利用实验室发展成熟的透射电子显微镜原位辐照技术,以透射电子显微镜中残留的有机气体分子为前驱体,成功地在纳米线表面可控沉积了非晶碳纳米颗粒和碳纳米棒,以及局域凸起的非晶碳膜并形成局域肿大的同轴结构.实验结果表明,该方法能够方便地通过控制聚焦电子束的束斑尺寸、辐照方式、辐照时间以及辐照位置等参数,在纳米线表面精确可控地沉积各种非晶碳纳米结构,从而实现纳米线的表面可控修饰.对聚焦电子束辐照下基于纳米线的各种碳纳米结构的可能沉积机理作了进一步地探索,并针对透射电子显微镜中如何减少因电子束辐照诱导非晶碳沉积造成的样品污染提出了几点建议.     

后处理条件对Ru(核)-RuO2(壳) 纳米颗粒结构和形貌的影响

利用光电子能谱仪(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱(EDS)研究了后处理条件(不同酸度的洗液及基底)对电化学合成的Ru(核)-RuO₂(壳) (RNCO)纳米颗粒的结构和形貌的影响. 结果发现, 直接用水洗的RNCO纳米颗粒会在铜基底上组装成线或棒, 而在单晶硅基底上没有发生明显的组装行为. 在稀盐酸洗涤过程中, RNCO的核壳结构被破坏, 并且各自发生聚集和生长, 当产物置于硅片上时, RNCO明显分离为RuO₂膜和金属Ru颗粒; 当产物置于Cu片上时, Ru生长成为方形颗粒, RuO₂颗粒黏附其上. 在浓盐酸中, RNCO的核壳发生化学反应生成新的钌氧化物相, 新物相以膜的形式铺展在硅片上, 而在Cu片上呈现角状结晶.     

可溶盐NaCl/NaNO3对陶质样品的破坏作用分析

针对目前关于典型可溶盐NaCl、NaNO3和两者的复合盐对陶质文物破坏作用的研究空白,在分析不同可溶盐以及复合盐溶液的表面张力、浓度变化以及平衡结晶相等的基础上,采用超景深显微系统和自动压汞仪等设备研究可溶盐NaCl/NaNO3对模拟陶质样品的破坏过程和方式,结果表明：复合盐的吸水一失水能力远远高于单一的NaCl和NaNO3,其在陶质样品中的溶解一结晶加速,破坏作用高于单一的可溶盐NaNO3;同时,含复合盐陶质样品的呈蘑菇状包裹的盐硬壳层在相对湿度的变化过程中,连续的盐结壳面积逐渐降低,不连续的结壳层面积增多,样品的平均孔径变小,小孔体积含量增加,微小裂缝逐渐扩张。本研究分析复合盐NaCl/NaNO3破坏陶质文物的过程和作用,为酥粉陶质文物的进一步保护研究提供科学依据。     

非均质泥石流固液两相运动特征探讨

非均质泥石流是一种固体颗粒级配宽、容重变化大、流速分布不均匀的典型的固液两相流, 广泛分布于我国的西部山区, 表现出独特的固液两相运动特征. 基于非均质泥石流固液两相分界粒径的概念, 以Darcy公式和质量守恒定律为理论基础, 分别推求非均质泥石流固液两相平均流速表达式. 在此基础上, 根据云南省小江流域蒋家沟泥石流模拟实验数据及实测资料, 揭示了非均质泥石流固液两相运动特征. 蒋家沟泥石流实验与实测资料计算分析结果表明, 蒋家沟泥石流以临界容重2.234 t/m³为界限, 当泥石流容重低于、等于和高于该临界值时, 分别出现液相流速大于、等于和小于固相流速的3种情况, 由此可以分别揭示稀性泥石流、均质泥石流和稠性泥石流3种不同类型泥石流的运动特征. 研究结果为构建非均质泥石流动力学奠定了基础, 并对泥石流防治工程规划设计和预测预报泥石流灾害具有重要的现实意义.