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(rèn)識高溫金屬液體的結(jié)構(gòu)與物性對于認(rèn)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(xué)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(diǎn)實驗室EX4組汪衛(wèi)華院士和白海洋研究員團(tuán)隊的博士研究生程琪，在其博士生導(dǎo)師孫永昊特聘研究員和捷克Jan- Evangelista Purkyne大學(xué)的Jiri Orava教授的共同指導(dǎo)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(xué)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(yīng)（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(xué)特征，只有相變的動力學(xué)行為。

這種動力學(xué)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(xiàn)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(dá)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(xué)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(xué)激發(fā)的液-液相變。這為人們通過調(diào)控液體來設(shè)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(biāo)題發(fā)表在冶金學(xué)一區(qū)期刊Acta Materialia上。

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

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