Wetenschap
Breekbaarheidscrossover gemedieerd door covalent-achtige elektronische interacties in metallische vloeistoffen
Op het gebied van glas- en vloeistofwetenschappen is de zogenaamde fragiliteit een sleutelconcept dat karakteriseert hoe snel de vloeistofdynamiek neerslaat op het verlagen van de temperatuur. Een al lang bestaande uitdaging is echter dat het optreden van kristallisatie de evaluatie van de kwetsbaarheid van glasvormende materialen belemmert.
Een team van onderzoekers heeft de grenzen van traditionele technieken verlegd en met succes cross-overgegevens over kwetsbaarheid voor verschillende legeringsfamilies verzameld. Ze hebben de onderliggende oorsprong van fragiliteit in metallisch glas (MG) voorgesteld vanuit het standpunt van de elektronische structuur en inzichten verschaft voor materiaalontwerp.
Meestal wordt de kwetsbaarheid van vloeistoffen bepaald door de viscositeit van de vloeistof bij verschillende temperaturen te meten. Vaak is echter een combinatie van technieken nodig om het gehele viscositeitsbereik te bestrijken. Als alternatief kan de kwetsbaarheid ook worden geschat met behulp van differentiële scanningcalorimetrie (DSC) vanuit de glasachtige toestand.
Niettemin belemmeren uitdagingen zoals kristallisatie-interferentie, beperkte verwarmingssnelheden van DSC en thermische geschiedenis de nauwkeurige bepaling van de kwetsbaarheid over verschillende samenstellingsbereiken. Daarom is de belangrijkste vraag hier hoe je fragiliteit in een breed spectrum van composities effectief kunt meten.
Een team van Chinese wetenschappers heeft nu snelle calorimetrische analyse gebruikt om nauwkeurige samenstellingsafhankelijke kwetsbaarheidsgegevens te verkrijgen in de La-Ni-Al en Cu-Zr-Al metallische glassystemen. Intrigerend genoeg onthulden hun bevindingen een subtiele compositie-afhankelijke trend in fragiliteit:op een gegeven moment leidde een lichte toename van het Al-gehalte tot een significante afname van de fragiliteitswaarde, wat een plotseling sprong- of crossover-gedrag vertoonde.
De onderzoekers gebruikten een combinatie van technieken, waaronder röntgenfoto-elektronenspectroscopie, weerstandsmetingen, elektronische structuurberekeningen en op DFT gebaseerde deep-learning atomaire simulaties, om het onderliggende mechanisme van deze fragiliteitscrossover te onderzoeken.
Hun analyse suggereerde dat de vermindering van de kwetsbaarheid verband zou kunnen houden met de vorming van covalente bindingen tussen Al-Al-interacties, veroorzaakt door de introductie van extra aluminium. Zo hebben ze uiteindelijk ontdekt wat de vloeistoffragiliteit in metallische vloeistoffen controleert.
De ultrasnelle calorimetrische analyse zal een uitgebreidere kwetsbaarheidsdatabase kunnen opleveren. Op basis van de fragiliteitsgegevens en het perspectief van de elektronische structuur zullen meer diverse amorfe materialen worden ontworpen.
Deze bevindingen bieden inzicht in de oorsprong van de kwetsbaarheid in metallische vloeistoffen vanuit het perspectief van de elektronische structuur en effenen een nieuwe weg voor het ontwerp van metalen glazen.
Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Materials Futures .