非晶合金形成于金屬液體的急速冷卻過程，它通過玻璃化轉(zhuǎn)變繼承了金屬液體的結(jié)構(gòu)，在固態(tài)也能展現(xiàn)出液態(tài)的一些物性，可以說它是披著固體外衣的金屬液體。認識高溫金屬液體的結(jié)構(gòu)與物性對于認識液體的固化過程和理解非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。合金中是否存在液-液相變作為非晶態(tài)物理與材料領(lǐng)域的一個前沿問題，長期以來被人爭論不休，亟需夯實可信的實驗證據(jù)來提供答案。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心jiduan條件物理重點實驗室EX4組汪衛(wèi)華院士和白海洋研究員團隊的博士研究生程琪，在其博士生導師孫永昊特聘研究員和捷克Jan- Evangelista Purkyne大學的Jiri Orava教授的共同指導下，利用最新的閃速差示掃描量熱儀（Mettler Toledo Flash DSC 2+）證明了在液相線溫度以上存在動力學激發(fā)的新型金屬液-液相變。

通過原位觀察四種鐿鋅二元合金（Yb-Zn）液體的快速冷卻過程，程琪發(fā)現(xiàn)了一個起始溫度高于液相線平衡溫度的放熱峰。這個放熱峰*之處在于：

(1) 冷卻時可逆比熱不變（圖1）；

(2) 在重新加熱的過程中沒有任何吸熱峰與之對應（圖2）；

(3) 再次冷卻時又會出現(xiàn)。

上述結(jié)果說明該放熱峰不可能是晶化、沉淀析出和相分離，只可能是一種特殊的液-液結(jié)構(gòu)相變——它沒有一級或二級相變的熱力學特征，只有相變的動力學行為。

這種動力學激發(fā)的液-液相變的相變溫度比平衡液相線的溫度高6-8%，與文獻中金屬液體發(fā)生黏度超阿倫尼烏斯轉(zhuǎn)變的溫度相近。根據(jù)這一相變溫度，程琪等人構(gòu)建了一張鐿鋅合金液體的非平衡相圖（圖3）。

這項工作中使用的是由瑞士梅特勒托利多公司生產(chǎn)的最新產(chǎn)品閃速差示掃描量熱法Flash DSC2+。它擁有50000 ℃/s的加熱速率和40000 ℃/s的冷卻速率，能夠達到1000度的實驗溫度，適合表征金屬液體的高溫行為和原位急速冷卻制備非晶合金。

經(jīng)測量，本工作中的新型液-液相變在高冷卻速率下的焓值占總?cè)刍实?0-12%；經(jīng)推算，如果在常規(guī)量熱儀的 20度每秒冷卻速率下測量，則該液-液相變的焓值只占總?cè)刍实那Х种畮住獰o法實驗觀測。所以，這種新型液-液相變只能通過高冷卻速率觀測。超快冷卻技術(shù)是發(fā)現(xiàn)這種動力學激發(fā)液-液相變的關(guān)鍵。

這項工作的意義是證明了金屬液體在液相線溫度以上存在動力學激發(fā)的液-液相變。這為人們通過調(diào)控液體來設計固態(tài)合金提供了新思路。相關(guān)成果以“Kinetically facilitated liquid-liquid transition in a metallic liquid”為標題發(fā)表在冶金學一區(qū)期刊Acta Materialia上。

該工作得到了國家自然科學基金(51971239)、中國科學院先導計劃(XDB30000000)、科技部重點研發(fā)計劃(2018YFA0703603)、廣東省自然科學基金(2019B030302010)和北京市科學技術(shù)委員會(Z191100007219006)的資助。

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