Впервые ученые составили карту структуры металлического стекла на атомном уровне, что приблизило их к пониманию того, где заканчивается жидкость и начинается твердое тело в стеклообразных материалах.
Исследование, проводимое Monash University и опубликованное в Physical Review Letters, опирается на недавно разработанную методику одного из самых точных электронных микроскопов с высочайшим разрешением. Предмет исследования — структура металлического стекла на основе циркония (Zr).
Полученные результаты могут объяснить загадку того, как формируется стекло или неупорядоченные твердые тела.
Мы используем стекла повсеместно, но очень немногие добиваются блестящего прогресса в освоении этого замечательного материала. В процессе формирования жидкого стекла расплав не становится твердым в разных точках, но становится вязким, пока не обретает жесткость. Когда формируются кристаллические твердые тела — типа графита, соли и алмазов — они внезапно становятся жесткими, поскольку атомы образуют привычные периодические структуры. Стекло никогда не формируется упорядоченными атомными решетками, при этом сохраняет неупорядоченную структуру жидкости, несмотря на твердость.
Такая неупорядоченная структура дает стеклу уникальные свойства. Металлические стекла имеют более высокое отношение прочности к весу, чем алюминиевые и титановые сплавы, а посему является очень перспективным материалом для создания конструкций в био- и микроэлектромеханических системах.
Доктор Амелия Лю из школы физики Монашского университета и Монашского центра электронной микроскопии с группой исследователей выяснила, что структура циркониевого стекла не случайна, а составлена эффективно расположенными 13-атомными икосаэдральными кластерами.
У икосаэдра 20 граней, 12 вершин и 12 осей пятисложной симметрии, а значит он не может быть упакован в упорядоченную трехмерную кристаллическую структуру.
«Давно предполагается, что икосаэдры являются ключевыми атомными структурами в основе металлических стекол и могут лежат в основе формирования стекла. Мы получили первое экспериментальное подтверждение этому факту. Наши результаты указывают путь к пониманию того, как стекло переходит из жидкого состояния в твердое — решению большой проблемы в современной физике конденсированных сред».
Исследователи разработали новую методику рассеяния электронов. Путем анализа дифракционных картин в наномасштабных объемах стекла, ученые смогли идентифицировать симметрии в отдельных атомных кластерах циркониевого стекла. Предыдущие методики не могли предоставить достаточно деталей для анализа.
Доктор Лю отметила, что новая техника может использоваться для постижения структуры других стекол и содействовать прогрессу в изучении неупорядоченных материалов.