非晶态物质的本质和特性 精选

非晶态物质的本质和特性 精选

已有 15494 次阅读 2013-11-14 03:09 |个人分类:金属玻璃|系统分类:科普集锦| 科普, 综述

最近中国科学院物理研究所的 汪卫华教授 应《物理学进展》编辑的邀请为该杂志撰写了一篇关于非晶态物质的175页的长篇综述文章。该文章基于科学发展历史,用科普的语言,科学史诗的风格,着重介绍了非晶态物质的的发展历史、材料学特征、基本物理性能、应用进展和前景。尤其对金属玻璃的昨天、今天和明天,从材料学、物理学和工业应用的多维角度,做了有趣而又详实的介绍和科普。各种有趣的故事、博古通今的知识面、幽默通俗的语言、漂亮的图片、高屋建瓴的科学视野……

 

摘抄文中部分语句和图片供大家欣赏,全文pdf文件可在科学网非晶论坛下载

http://bbs.sciencenet.cn/thread-1285406-1-1.html)或者 http://mmp.iphy.ac.cn/UpLoadFile/2013110515562273499.pdf

 

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本文试图用科普的语言,希望能摆脱古板、江湖黑话一样的专业术语,结合非晶的研究历史和故事来叙述。

 

本文另一个目标是希望能给出正在研究的非晶问题和研究状况的全貌。从事研究需要尽早的知道研究领域的全貌。不了解全貌,就想做出出色的科研工作肯定是不现实的、也是不科学和不周全的做法。

 

苏格拉底说过:只用眼睛看的人是瞎子。

 

非晶研究的发展历史告诉我们,非晶领域的工作和成果大多不是什么天才的工作,而是具有耐心的平凡人通过艰苦努力、持续的工作做出的杰出成就。其实,任何一项成果和发现何尝不是如此,都是对科学家意志和耐心的巨大考验!

 

在Santa Barbara 卡弗里理论物理研究参加一个为期3 个月的“非晶物理前沿问题”研讨班,期间,很多时候,上11 点了,还可看见这些科学家在各自的办公室研读文献,讨论、争论问题。那种淡定从容、简单执着让人感动。(JQW注:也是俺在外留学最深的感触之一,真正的科学家精神)

 

1可以生动地说明玻璃在我们生活中的重要作用。然而,我们对奇特的玻璃已经习焉不察,对于玻璃的物理本质了解非常有限。

 

非晶的结构和性能都随时间发生演化,时间和非晶密不可分。所以丹麦非晶物理学家J Dyre 领导的研究中心的名称就叫“玻璃和时间”。(JQW注:Dyre教授具有推荐诺奖候选人资格,他已经在Rev.Modern.Phys.上发了两篇综述了)

 

迄今为止,已经有4 位科学家因从事和非晶相关的工作而获得诺贝尔奖,他们是:P. W. AndersonN. F. MottP. J. Flory 高锟

 

英国剑桥大学著名材料学家R. Cahn 曾引用莎士比亚的话(因为莎翁的用语总是最恰如其分的)来劝导学者、科学家们在对待名词、术语使用上能更加宽容一些[45]。在莎翁罗密欧和朱丽叶剧中,朱丽叶为人们对家族姓氏的过分偏见而非常苦恼,她说:“名字就那么重要吗?我们唤作玫瑰的花朵,叫另一个名字也同样芬芳” (What’s in a name? thatwhich we call a rose. By any other name would smell as sweet.)

 

像色心和液晶的发现一样[45],非晶合金的发现,再一次证明是科学上的见识和洞察力,而不是粗浅的经验和运气导致了技术上的突破。凝固是最重要的液态到固态的相变,也是一项非常古老的冶金技术。这个古老的领域因为物理冶金学家Duwez 的工作完全改变了面貌。这就是大师的作用!非晶合金的发现给我们的启示是多方面的!

 

笔者2004 年在剑桥大学访问的时候,曾听著名的R. Cahn 教授说过:研究非晶材料和物理应该去的几个地方:哈佛大学,加州理工,剑桥大学,哥廷根大学,以及日本仙台的东北大学。(JQW注:2010年,听一个德国的青年才俊亲口对我说,他做博后最想去的两个地方一个是加州理工学院Johnson组,另一个是中国科学院物理研究所汪卫华教授组。 2012年听某美国工程院院士说当今金属玻璃最应该关注的两个活跃的地方一个是德国Eckert组,另一个是中国汪卫华教授组。 听说某著名L教授只看三个组的文章:Johsnon组,Wang组,日本东北大学Inoue组。

 

从物理的角度来说,非晶中最重要、最有趣而且最深刻的未解决的核心问题就是关于液态和玻璃态之间转变的物理本质即玻璃转变。

 

金属玻璃的朦胧美。

 

金属玻璃的刚柔并济!

 

关于流动:古希腊哲学家Heraclitus (赫拉克利特,公元前540-475年)说: 万物皆流。…梵高名画《星和月》中整个世界都在流动。…自然科学常用比拟流体流动进行研究。如热学中把热当做热流进行研究;电磁学中将电看做电流,把磁看做磁流体;光学中有比拟流体波动的“波图194. (上)山中的巨石和溪水都在流动,(中)流动沙丘和山、流动的银河系,(下)梵高名画《星和月》中整个世界都在流动动说”等等。就连最深沉,最复杂的人类感情都可以有“流动”来表达。我国古代诗词名家就颇善于用“流动”来表达各种情感。我们能耳熟能详的诗句,如孔子的“子在川上曰,逝者如斯夫!”;李白的“君不见黄河之水天上来,奔流到海不复回”;杜甫的“无边落木萧萧下,不尽长江滚滚来”;李煜的“问君能有几多愁?恰似一江春水向东流。”; 辛弃疾的“千古兴亡多少事?悠悠,不尽长江滚滚流!”等等,都恰到好处的用“流”表达了他们的深沉的情感,形成了千古名句。同样,“流”(flow) 在非晶结构变化过程中起极其重要的作用。流变在认识非晶本质和特性中起重要的作用。

 

具有无序堆积结构的物质的流动符合剪-胀模型,比如金属玻璃和沙子。

【(©JQW当波浪刚刚退去,我们漫步在沙滩上,沙子在脚压力下发生剪切流动,同时也发生了膨胀。由于沙子膨胀、堆积密度变小使得脚周围的水迅速渗进去了(类似海绵吸水效应)。金属玻璃塑性变形时,也有类似的剪胀效应。】

 

非晶物理和材料的研究还处在婴儿期。预测一个婴儿的未来,总结和展望一个新兴和快速发展的学科都是非常困难的事情。但是我们可结合非晶物理和材料的发展历史,以及其发展给人们的启示对该领域的发展提出一些看法,可以梳理进一步研究和发展的思路,凝炼非晶物理和材料中的重要和关键的科学问题和技术难题,以供参考和讨论。

 

非晶研究领域50个重要的科学问题,可以分为以下4个大的方面:

首先是非晶本质和玻璃转变问题,包括18个具体研究方向。

第二类问题是和非晶结构有关的问题,包括7个具体研究方向。

第三类是非晶物质的失稳问题。包括13个具体研究方向。

第四类是非晶形成能力、形成机制、非晶成分设计、制备方法、技术和工艺方面的问题,包括12个具体研究方向。

 

以上为俺的读书摘要,推荐大家阅读“非晶态物质的本质和特性”。

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