“非晶態物質的本質是什麼”是凝聚態物理的前沿基礎科學問題之一。非晶態資料中存在原子尺度規則或半規則的多面體短程（2-5Å）有序結構，然而其中程尺度（5-20Å）結構仍然難以通過實驗觀測。囙此，很難確定在非晶態資料與其對應的晶態資料之間是否存在某種處於中程或更大長度尺度範圍內的結構聯系。另一方面，非晶態資料的結晶產物往往在成分上區別於前驅體，具有截然不同的基本結構單元，使這一問題變得更為複雜。解開非晶態的本質需要先回答非晶態物質是否存在一定空間尺度的結構單元，並按什麼規則堆積形成局域有序、長程無序的無定型態結構這些關鍵問題。探尋具有鮮明特徵（序構、對稱性等）的中程式結構的構築特徵，對於解决一系列與非晶態本質有關的科學問題具有重要意義。
為了解决上述問題，南京理工大學資料學院/格萊特研究院蘭司教授（一作、共通訊）與香港城市大學物理系王循理教授（共通訊）、美國阿貢國家實驗室先進光源任洋資深研究員（共通訊）、南京航空航太大學博士生朱力（共一）、東莞市香港城市大學研究院吳楨舵研究員（共一）、中科院物理所谷林研究員（共一）等合作，成功發現並解析了橋接非晶態與晶態的一種手性中程式結構。該論文以題為“Amedium-range structure motif linking amorphous and crystalline state”於5月20號發表在最新一期Nature Materials上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01011-5
項目研究團隊在最經典大塊金屬玻璃體系Pd-Ni-P中捕獲了一個中間亞穩態立方相。利用一套先進的結構分析科技，包括原位同步輻射高能X射線衍射和小角中子散射、球差HAADF-STEM imaging、EDS mapping、掃描隧道顯微鏡、三維原子探針、計算類比等手段，揭示了這種非晶合金中的中程有序結構：一種尺度為12.5Å的手性六元三帽三棱柱團簇（six-membered tricappedtrigonal prism cluster，簡稱6M-TTP）。此外，還發現6M-TTP可以在一定溫度區間週期性地堆積到幾十納米，並形成亞穩態立方相。該實驗觀察提供了非晶相和晶相之間結構關聯的直接證據，並且證明了區分晶相和非晶相的是6M-TTP團簇的連接和堆積管道。該發現有助於進一步解開困擾學界多年的非晶態結構本質難題，為調控非晶態的中程式結構提供參攷。
本研究選用經典的Pd41.25Ni41.25P17.5金屬-類金屬大塊金屬玻璃為模型體系解决非晶態資料中的上述長期存在的問題。因為它在加熱時表現出非常有趣的熱行為，可能存在複雜的亞穩態結構轉變。為了捕獲該亞穩態的納米級析出相，在加熱過程中對Pd41.25Ni41.25P17.5金屬玻璃進行了原位高能X射線衍射測試。圖1顯示了納米結構中一系列布拉格峰的演變過程。通過布拉格繞射峰的相對位置，可以標定該析出物具有晶格常數為17.8Å的簡單立方結構。囙此，我們稱這些納米析出物為立方相（Cube）。隨著溫度的升高，這些布拉格峰的强度在Tcube〜653 K之後先新增，然後下降，並最終在約663 K消失，同時最終結晶相的大角度布拉格峰出現，這表明該析出物具有亞穩性。
圖1亞穩立方相析出。a. Pd41.25Ni41.25P17.5金屬玻璃（MG）加熱過程中原位同步輻射高能X射線衍射（XRD）量測的二維等高線圖。亞穩態結晶析出物出現的溫度用垂直X軸虛線標示。b. Pd-Ni-P樣品在不同條件下的三種典型小角度XRD圖譜：粉末樣品（藍色）的非原位同步輻射X射線衍射圖譜、大塊樣品（綠色）和粉末樣品（黃色）在660K下的原位同步輻射X射線衍射圖譜。垂直虛線表示（100）、（110）和（200）峰的位置，對應於a=~17.8Å的立方晶格。
從653K下退火樣品的掃描透射電鏡高角度環形暗場像（HAADF-STEM）來看，樣品已部分結晶，並同時包含立方相和非晶相。圖2a-2c中的紅色箭頭標出了沿不同方向具有週期性堆積的結構單元。結構單元週期排列並逐漸消失在非晶區域，沒有明顯的邊界。此外，在非晶區域中，特別是在與完全非晶態相對應的影像中，發現了明顯的明暗襯度（圖2d）。
對立方相（紅色正方形區域）進行了自相關函數（ACF）分析，並將結果與非晶態基體的分析結果進行了比較（黃色方形區域）。出乎意料的是，經過ACF分析後的非晶態基體影像在所有三個方向上都與第三原子殼層中的立方相的影像相似，這意味立方相的結構單元可能源自Pd-Ni-P非晶基體，儘管其具有較大的幾何畸變。圖2d顯示了在583 K退火的Pd-Ni-P合金的HAADF-STEM影像，該溫度比立方相開始沉澱的溫度低約70K。同樣地，我們也發現了類似的現象，從而確認在完全非晶態結構中可能存在中程式基本結構單元。
圖2立方相和非晶基底的球差高解析度電子顯微鏡（HREM）影像。（a-c）653K退火樣品，同時含有非晶與立方體相。分別沿[100]、[110]和[111]方向拍攝的立方體相的球差校正HAADF-STEM影像。紅色箭頭表示存在具有納米級週期性堆積的中程式結構單元。右上是從立方體相的紅色正方形區域ACF計算所得二維影像。右下是從非晶態基體中的黃色正方形區域ACF計算所得二維影像。d. 583 K退火Pd-Ni-P樣品的Cs校正HAADF-STEM影像，該樣品具有完全非晶態結構，不同區域ACF處理所得影像位於右側。e-g.分別為以[100]方向拍攝的Pd、Ni和P的原子分辯率EDS能譜圖。
解開中程式結構單元的關鍵在於重構亞穩立方相的結構（圖3）。HAADF-STEM的結果顯示，立方相的晶胞由兩個不同的團簇構成。較大的中程式結構單元通過佔據其頂點形成組織儲存格的“骨架”，而較小的一個結構單元，則通過佔據邊緣和麵心來填充間隙，並充當連接較大團簇的粘合劑（圖3a）。我們認為小團簇是一個以P為中心的短程基序，如P原子的原子分辯率EDS圖所示（圖2g）。尺度約為12.5Å的大團簇，即6M-TTP，由六個三帽三棱柱（TTP）短程基序通過共邊連接的模式構成，並且每個TTP的兩個共用邊之間成60°异面角（圖3b）。連接兩個相鄰TTP的共用邊由單個TTP的一個戴帽原子和一個頂點原子組成。而6M-TTP的中心被形成一維鏈的P原子佔據。將二維差分濾波（2D-DF）HAADF-STEM影像與沿6M-TTP團簇[100]、[110]和[111]方向獲得的類比STEM影像進行比較（圖3c-3e），晶格參數與從低角度XRD模式獲得的參數以及我們的堆積方案非常吻合。良好的一致性表明6M-TTP團簇能够很好地重構立方體相的基元。此外，根據第一性原理計算，確認6M-TTP團簇在熱力學上是亞穩的。6M-TTP團簇的三個方向，即[100]（圖3f）、[110]（圖3g）和[111]（圖3h）也可以在非晶態樣品中很好地識別。囙此，這些HAADF-STEM影像中的從實驗上直接證明了6M-TTP存在於Pd-Ni-P合金的非晶態結構中。
圖3立方體相及其主幹基元的堆積示意圖。a.立方相的單胞和團簇堆積的結構模型。紅色球代表Pd和Ni原子，藍色球代表P原子。橙色多面體代表富集Pd的小團簇，藍色多面體代表富集Ni的小團簇。請注意，僅顯示部分小團簇以進行說明。b.通過共邊連接模式構建的6M-TTP的示意圖。c-e. 653-K退火樣品，含立方體相。分別沿[100]、[110]和[111]方向的二維差分濾波（2D-DF）HAADF-STEM影像，電鏡樣品薄區~7 nm。藍色虛線表示立方相的基元。所類比的6M-TTP團簇和相應的STEM類比結果（紅色正方形區域）疊加在影像中。f-h.583K下分別基於[100]、[110]和[111]取向的6M-TTP團簇模型的Pd-Ni-P非晶合金的2D-DF HAADF-STEM影像，相應的HAADF-STEM類比結果疊加於圖中。
圖4a顯示了通過同步輻射X射線衍射獲得的鑄態、583 K退火和653K退火的Pd-Ni-P合金的結構因數S（Q）。立方相析出後，在第一峰和第二峰之間的區域中出現了兩個肩峰，如箭頭所示，這表明一些有序結構在中程尺度內發展。通過快速傅裡葉變換獲得約化對分佈函數（PDF）曲線G（r）（圖4b），對其結構在實空間中進行詳細分析。有趣的是，立方相樣品並沒有形成額外的鍵，然而其第二和第三配比特殼層右側的肩峰（r4和r6）變得更加明顯，如箭頭所示。G（r）峰值的新增，尤其是r4和r6，表明團簇連接性的增强。這一結果也進一步證實了立方相起源於非晶基體中預先存在的多面體。單個TTP計算出的G（r）與~5Å以下的實驗譜相匹配，但是由於單個TTP的尺寸有限，很快在遠距離處衰减至零。引入由共邊連接形成的6M-TTP後，計算出的G（r）和實驗G（r）相互重疊的區域擴展到〜12Å以上。6M-TTP的G（r）也具有明顯的凸肩，就像653 K退火的立方相樣品一樣。簡而言之，6M-TTPs本身及其連接性在無序到有序轉變過程中起著關鍵作用。需要指出6M-TTP是手性的。連接團簇的一種可能性是通過手性轉移，這在許多由手性基元組成的有機體系中是很常見的。例如，小團簇可以鎖定兩個相鄰的手性6M-TTP，並且通過方向共價鍵將一個手性TTP轉移到其鄰域實現手性傳遞。
圖4同步輻射X射線實驗結果與6M-TTP團簇在倒空間和實空間計算結果比較。a. Pd-Ni-P合金鑄態、583K和653K退火後的實驗結構因數S（Q），以及單一TTP和6M-TTP的計算所得結構因數S（Q）。箭頭在S（Q）的第一個和第二個峰之間的區域中標記了兩個肩峰，這是立方相的特徵。b.非晶態和熱處理的Pd-Ni-P合金的約化對分佈函數G（r），以及單個TTP和6M-TTP的計算G（r）。箭頭標記了PDF中第二個和第三配比特殼層右側的肩峰。
綜上所述，為回答非晶態和晶態之間是否存在某種尺度結構關聯這一問題，該研究利用一系列先進的散射和電鏡科技確定了Pd-Ni-P金屬玻璃在升溫過程中所析出的具有週期性層狀結構中間立方相的結構，其基本結構單元為特徵尺寸約為12.5Å的手性中程式6M-TTP。結合球差電鏡和徑向分佈函數的綜合分析，發現該基本結構單元源於非晶基體。結果表明，存在某種結構單元能够橋接非晶態與對應的晶態（如Pd-Ni-P金屬玻璃中的6M-TTP），其特徵尺寸已經拓展至中程式尺度。該研究為非晶態資料的多尺度上的有序性和複雜性提供了直接實驗證據。
本論文研究工作獲得國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金傑出青年基金、粵港澳大灣區聯合實驗室、香港裘搓基金、香港研究基金委、中央高校基礎研究基金等的支持。
【蘭司教授簡介】
蘭司教授，現任南京理工大學材料科學與工程學院/格萊特研究院院長助理、教授，獲江蘇省傑青和國家面上專案資助，長期從事非晶合金的中程式結構和相變機制關領域的研究工作，2012年畢業於香港中文大學材料科學與工程專業（師從H. W. Kui教授）、2012-2014年於香港城市大學物理系跟隨王循理教授從事博士後研究、2014年加入南京理工大學，以同步輻射和中子散射及透射電鏡等先進研究手段，在一系列非晶合金體系相變的微觀機制原位散射研究等課題上做出了重要的研究成果，在Nature Materialss、Nature Communications、Communications Physics、Acta Materialia、Physical Review Letters、Scripta Materialia等發表論文近80篇，具有豐富的相關研究經驗。關於鈀-鎳-磷非晶合金的隱藏液態相變的研究工作於2017年發表在國際權威雜誌自然通訊上，被基金委首頁以要聞報導，同時被自然通訊雜誌冶金專欄收藏。獲得江蘇省333高層次人才計畫、六大人才高峰人才計畫、雙創博士計畫支持。因為非晶合金中程式結構和相變方面的突出工作，2017年7月獲得中國資料大會非晶與高熵合金“傑出青年科學家獎”。2017年8月組織國際知名的戈登研討會（GRS）中子散射研討會並作GRC邀請報告。2021年1月起擔任稀有金屬（英文）Rare Metals期刊的青年編委。
【吳楨舵博士簡介】
吳楨舵博士，東莞市香港城市大學研究院助理院長/中子散射應用物理研究中心研究員。2015年香港中文大學博士畢業（師從H. W. Kui教授）。2015-2017年在香港城市大學擔任博士後研究員（導師為王循理教授）。2017-2020年在深圳市發展改革委創新中心工作，擔任重大科技基礎設施管理中心部門負責人，參與編制粵港澳大灣區綜合性國家科學中心先行啟動區建設方案，以及深圳重大科技基礎設施的規劃論證和管理。現時主要從事非晶合金及過冷液體相變領域的研究，累計在Nature Materials、Applied Physics Letters等雜誌發表論文20餘篇。
【谷林教授簡介】
谷林教授，中國科學院物理研究所研究員，從事電子顯微學方法研究近20年。2002年清華大學本科畢業，啟蒙於我國電子顯微學專家朱靜院士。2005年獲得美國亞利桑那州立大學博士學位，導師為美國顯微學會主席David J.Smith教授。2006 - 2009年在德國斯圖加特馬普金屬所與合作導師Manfred Rühle教授工作期間，實現了價電子能量過濾掃描透射電子顯微術。2009-2010在日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構與合作導師幾原雄一教授工作期間，發展了球差校正環形明場成像科技，克服了輕元素原子散射截面極低的困難，實現了原子尺度對鋰離子的直接觀測。從2010年底起回到中科院物理所先進資料和結構分析實驗室。從晶格和電荷自由度揭示了部分功能氧化物資料、儲能資料和催化資料原子尺度結構和電子結構的特點。在此基礎上，實現了軌道自由度動量空間軌道電子佔據態的直接觀測，取得了系列成果。發表論文700餘篇，其中包括Science及Nature正刊14篇，子刊70餘篇，他引44000餘次，H因數>110。擔任英國物理學會J. Phys.Condens.Matter期刊材料物理板塊主編；Wiley出版社Annalen der Physik期刊編委；Wiley出版社Nano Select期刊副主編；中國科協《科技導報》編委；Elsevier出版社Science Bulletin期刊編委；Springer出版社Rare Metals期刊編委。
【任洋教授簡介】
任洋教授，美國阿貢國家實驗室資深物理學家。1988年獲中國科學院物理研究所凝聚態物理碩士學位。1996年博士畢業於荷蘭格羅寧根大學化學物理學專業。現時是先進光源高能X射線束線站的首席線站科學家。2020年獲得Gopal K.Shenoy傑出線站科學獎，及阿貢國家實驗室理事會傑出績效獎。研究領域集中在利用同步輻射X射線和中子散射等科技研究資料的結構-效能關係，包括相變、關聯電子系統、工程材料、納米顆粒和複合材料、儲能資料（電池）和能源轉換資料的研究。發表包括Science、Nature等論文760餘篇，總引用25000餘次，H因數78。
【王循理教授簡介】
王循理教授，香港城市大學物理系講座教授/系主任，中子散射和同步輻射研究領域的國際專家。1985年獲北京大學物理系學士學位，經CUSPEA項目赴美，1992年獲美國愛荷華州立大學物理系博士學位。曾在美國橡樹嶺國家實驗室工作20年，並成為資深研究員，田納西大學兼職教授。在此期間，其領導的研究組負責散裂中子源和高通量同位素反應堆中子源中的8個設備，同時他還是工程繞射譜儀的首席科學家和專案負責人。2015年起得到香港裘槎基金會計畫支持，與中科院高能物理所開展中子散射科學技術全面的合作，2019年成立中國科學院-香港城市大學中子散射聯合實驗室，2020年發起成立廣東省粵港澳中子散射聯合實驗室。王循理教授主要研究領域包括資料相變、力學性能以及磁性，已在Science、Nature Materials，Physical Review Letters等發表學術論文200餘篇，應邀作特約報告100餘次。早期工作獲美國焊接協會A. F. Davis獎章，2006年獲國家基金委傑青（B類），2009年被教育部授予長江講座教授，2010年當選為美國物理學會會士，2015年發起戈登中子散射會議並擔任首届會議主席，2017當選為美國科學促進協會會士，2018年獲中國科學院金屬所李薰講座獎，2020年當選為美國中子散射協會會士，2021年獲香港裘槎優秀科研者獎。
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