Skrøbeligheds-crossover medieret af kovalent-lignende elektroniske interaktioner i metalliske væsker

Inden for glas- og væskevidenskaberne er den såkaldte skrøbelighed et nøglebegreb, der kendetegner, hvor hurtigt væskedynamikken opgør med at sænke temperaturen. En langvarig udfordring er imidlertid, at forekomsten af ​​krystallisation hindrer evalueringen af ​​skrøbelighed i glasdannende materialer.

Et team af forskere har rykket grænserne for traditionelle teknikker og med succes indsamlet crossover-data om skrøbelighed for forskellige legeringsfamilier. De har foreslået den underliggende oprindelse af skrøbelighed i metallisk glas (MG) fra et elektronisk struktur synspunkt og givet indsigt i materialedesign.

Typisk bestemmes væskes skrøbelighed ved at måle væskens viskositet ved forskellige temperaturer. Imidlertid er en kombination af teknikker ofte nødvendig for at dække hele viskositetsområdet. Alternativt kan skrøbeligheden også estimeres ved differentiel scanningskalorimetri (DSC) fra dens glasagtige tilstand.

Ikke desto mindre hindrer udfordringer såsom krystallisationsinterferens, begrænsede opvarmningshastigheder af DSC og termisk historie den nøjagtige bestemmelse af skrøbelighed på tværs af forskellige sammensætningsområder. Derfor er nøglespørgsmålet her, hvordan man effektivt kan måle skrøbelighed på tværs af et bredt spektrum af kompositioner.

Et hold kinesiske videnskabsmænd har nu brugt hurtig kalorimetrisk analyse til at opnå præcise sammensætningsafhængige skrøbelighedsdata i La-Ni-Al og Cu-Zr-Al metalliske glassystemer. Spændende nok afslørede deres resultater en subtil sammensætningsafhængig tendens i skrøbelighed:På et bestemt tidspunkt førte en lille stigning i Al-indholdet til et signifikant fald i skrøbelighedsværdien, hvilket udviste et pludseligt spring eller crossover-adfærd.

Forskerne brugte en kombination af teknikker, herunder røntgenfotoelektronspektroskopi, modstandsmålinger, elektroniske strukturberegninger og DFT-baserede dyb-lærende atomsimuleringer, for at udforske den underliggende mekanisme for denne skrøbeligheds-crossover.

Deres analyse antydede, at reduktionen i skrøbelighed kunne være forbundet med dannelsen af ​​kovalent-lignende binding mellem Al-Al-interaktioner udløst af introduktionen af ​​yderligere aluminium. Således har de efterhånden opdaget, hvad der styrer væskens skrøbelighed i metalliske væsker.

Den ultrahurtige kalorimetriske analyse vil kunne give en mere omfattende skrøbelighedsdatabase. Baseret på skrøbelighedsdata og det elektroniske strukturperspektiv vil mere forskelligartede amorfe materialer blive designet.

Disse resultater giver indsigt i oprindelsen af ​​skrøbelighed i metalliske væsker fra et elektronisk strukturperspektiv og baner en ny vej for design af metalliske glas.

Forskningen er for nylig blevet offentliggjort i Materials Futures .

Flere oplysninger: Hui-Ru Zhang et al., Fragility crossover medieret af kovalent-lignende elektroniske interaktioner i metalliske væsker, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad4404

Leveret af Songshan Lake Materials Laboratory