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中國科學(xué)院物理研究所的汪衛(wèi)華院士 大自然中存在著豐富多彩,、各種各樣的物質(zhì),，如果不考慮它們宏觀性質(zhì)的差異，根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就可以把物質(zhì)大致可以分為兩類：一類是有序結(jié)構(gòu)的物質(zhì),，另一類是無序結(jié)構(gòu)的物質(zhì),。這里的“序”是從微觀原子排列角度上來說的，從字面上來看是指原子排列有一定的秩序,，從物理角度來看是指原子的排列具有長程的平移對(duì)稱性或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,。 非晶態(tài)物質(zhì)有很多的特征,。 其特征之一是普遍性;在自然界和人們的日常生活中非晶態(tài)物質(zhì)幾乎涉及我們生活的方方面面，比如自然界中隨處都可見的樹脂,、琥珀等令人驚嘆的自然藝術(shù)品,，非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)電解質(zhì),、非晶態(tài)離子導(dǎo)體,、非晶態(tài)超導(dǎo)體和非晶態(tài)合金(金屬玻璃)等新型非晶態(tài)物質(zhì)。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷耐该鞑Ａ?、塑料,、橡膠、食品等等幾乎都屬于非晶態(tài)物質(zhì)這個(gè)大家族,。非晶態(tài)物質(zhì)第二個(gè)特點(diǎn)是復(fù)雜性,。 非晶是由大量的原子組成的多體系統(tǒng)，而原子排列的無序性又使得這類系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜性的特征,，許多在晶態(tài)物質(zhì)中沒有發(fā)現(xiàn)的新奇現(xiàn)象也在這類物質(zhì)中呈現(xiàn)出來,。非晶態(tài)物質(zhì)另一個(gè)重要特征是其結(jié)構(gòu)和性能和時(shí)間密切相關(guān)。由于處于亞穩(wěn)態(tài),，很容易受到周圍環(huán)境比如溫度,、壓強(qiáng)等的影響，使得原子總是自發(fā)地向著有序排列的晶態(tài)結(jié)構(gòu)靠攏,，這就會(huì)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)弛豫的現(xiàn)象,，因此，時(shí)間這個(gè)潛在的因素對(duì)于非晶態(tài)物質(zhì)來說要比晶態(tài)物質(zhì)更加重要,。 液體和熔體變?yōu)椴ＡУ倪^程稱為玻璃轉(zhuǎn)變,，它是各種玻璃制造中幾乎都涉及到的一個(gè)不可缺少的過程。盡管到目前為止人們還不能真正地理解玻璃轉(zhuǎn)變本質(zhì),，但玻璃化轉(zhuǎn)變過程涉及到自然界的很多現(xiàn)象, 給有生命的與無生命的物質(zhì)帶來許多奇妙的現(xiàn)象和結(jié)果,。例如科學(xué)家通過對(duì)德干火山巖(即玄武巖)中玻璃的痕跡的分析，發(fā)現(xiàn)可能是火山噴發(fā)中噴涌到大氣中的硫,、氯, 導(dǎo)致了大范圍的物種包括恐龍滅絕,；另一方面，由于玻璃化過程并沒有破壞液體的結(jié)構(gòu),，所以可以用來保存新鮮食物（速凍食品）,，甚至可以短時(shí)間保存人類的器官。玻璃化冷凍能使保護(hù)液在短時(shí)間內(nèi)呈玻璃態(tài),，可以避免細(xì)胞內(nèi)冰晶形成所導(dǎo)致的傷害以及細(xì)胞外界引起的滲透壓影響,，對(duì)生物細(xì)胞造成的傷害會(huì)明顯減少，從而達(dá)到保鮮的效果,。玻璃化冷凍方法的應(yīng)用： a) 速凍草莓 b) 生物體的玻璃化冷凍 在非晶態(tài)物質(zhì)中,，存在兩個(gè)很奇妙的“粒子”狀態(tài)由擴(kuò)展態(tài)到局域態(tài)的轉(zhuǎn)變,。第一個(gè)轉(zhuǎn)變是玻璃化轉(zhuǎn)變，即由液態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)固態(tài),，這里的粒子就是指組成非晶態(tài)物質(zhì)的原子,，在這種轉(zhuǎn)變中，原子的遷移率經(jīng)歷了劇烈的變化,，宏觀上表現(xiàn)為粘度發(fā)生十幾個(gè)的數(shù)量級(jí)變化,。第二個(gè)是安德森轉(zhuǎn)變，是指非晶態(tài)物質(zhì)中的電子通過一種微妙的結(jié)構(gòu)無序所導(dǎo)致的金屬與絕緣體之間的轉(zhuǎn)變,，在這種轉(zhuǎn)變中,，電子波函數(shù)經(jīng)歷了從擴(kuò)展特性到定域特性的變化。這兩種局域性質(zhì)向傳統(tǒng)的凝聚體理論提出了挑戰(zhàn),，加深了我們對(duì)于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的理解,。 非晶材料已經(jīng)發(fā)展成為航天、航空,、信息等高技術(shù)和高檔手表,、手機(jī)、手提電腦等時(shí)尚品爭相選用的時(shí)尚材料.特別是作為兼有玻璃,、金屬, 固體和液體特性的新型金屬材料--金屬玻璃的發(fā)明, 創(chuàng)造了金屬材料的很多記錄: 比如, 非晶合金是迄今為止最強(qiáng)的金屬材料和最軟的金屬材料之一(最強(qiáng)的Co 基非晶合金的強(qiáng)度高達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的6.0 GPa, 最軟的Sr 基非晶合金的強(qiáng)度低至300 MPa); 非晶合金是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的穿甲材料, 最容易加工成型的金屬材料, 最耐蝕的金屬材料, 最理想的微,、納米加工材料之一; 非晶合金還具有遺傳、記憶,、軟磁,、大磁熵等特性. 非晶材料的迅猛發(fā)展也為研究材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理中一些重要問題的模型體系. 近十幾年來, 非晶合金材料的發(fā)展和應(yīng)用把非晶結(jié)構(gòu)、物理性能及相關(guān)的物理問題的研究推向凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿. 能任意變形的金屬塑料與最強(qiáng)的穿甲材料——金屬玻璃 非晶態(tài)物質(zhì)沒有長程結(jié)構(gòu)序的物態(tài),，經(jīng)典的凝聚態(tài)物理的范式和理論基本不能用于理解和描述這類廣泛存在的物態(tài)。 非晶態(tài)物質(zhì)及其過冷液態(tài)中粒子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用導(dǎo)致極端和奇異的宏觀物理性質(zhì),，如玻璃轉(zhuǎn)變,、阻塞、流變局域化,、復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為,、振動(dòng)態(tài)密度的奇異性、接近理論極限的強(qiáng)度,、奇特的斷裂行為等,。如何描述和理解這些行為對(duì)傳統(tǒng)凝聚態(tài)理論提出了挑戰(zhàn)。2005年《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際提出了125個(gè)科學(xué)前沿問題,。 其中玻璃化轉(zhuǎn)變和玻璃的本質(zhì)被認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)物理問題和當(dāng)今凝聚態(tài)物理的重大前沿之一,。因此，非晶態(tài)物理一直是凝聚態(tài)物理研究的前沿課題,。與非晶態(tài)相關(guān)的研究已產(chǎn)生3次諾貝爾物理獎(jiǎng),，1次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),。 2005年《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際提出的125個(gè)科學(xué)前沿問題中第47個(gè)問題：玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)是什么？ 近年來開發(fā)出的非晶合金材料在強(qiáng)度,、硬度,、韌性、超塑性成型,、軟磁,、耐磨、耐腐蝕,、抗輻照等方面具有顯著優(yōu)于常規(guī)金屬材料的特質(zhì),，在高技術(shù)、國防,、信息和能源領(lǐng)域等方面的有重要應(yīng)用前景,。 從生產(chǎn)生活到前沿科技，諸多優(yōu)異性能使非晶態(tài)合金具有重要的應(yīng)用前景 非晶態(tài)合金材料揭開了非晶物理研究的全新篇章,，為發(fā)現(xiàn)新非晶材料,、新效應(yīng)和新物態(tài)，建立新的理論提供了契機(jī),，充滿著驚奇,、機(jī)遇和挑戰(zhàn)。另一方面,，非晶材料的探索方式也不同于傳統(tǒng)探索材料的方法,。傳統(tǒng)探索新材料的方法主要是通過改變和調(diào)制化學(xué)成分，調(diào)制結(jié)構(gòu)及物相,、調(diào)制結(jié)構(gòu)缺陷來獲得新材料,。而非晶材料則是通過調(diào)制材料的“序”或者“熵”來獲得的新材料。 如非晶合金就是典型通過快速凝固或者多組元不同元素的混合,，引入“結(jié)構(gòu)無序”而獲得的高性能合金材料,。通過改變和調(diào)制“化學(xué)序”也可獲得性能獨(dú)特的新材料，無序高熵合金就是近年來采用多組元混合引入“化學(xué)無序”獲得的新型材料,。這種通過調(diào)制材料的構(gòu)型“序”或者“熵”的方法將會(huì)使得更多類似非晶新材料的發(fā)現(xiàn),，其基本的物理機(jī)制更值得關(guān)注和深入研究。 《物理學(xué)報(bào)》近期出版了“非晶物理研究進(jìn)展”專輯,，從物理,、材料、力學(xué),、模擬,、實(shí)驗(yàn)和理論諸方面，以不同的視角綜述介紹非晶材料和物理的最新進(jìn)展,、問題,、現(xiàn)狀和展望,，希望能幫助讀者系統(tǒng)了解非晶物理及材料領(lǐng)域的最新進(jìn)展。 http://wulixb./CN/Y2017/V66/I17 （中國科學(xué)院物理研究所 汪衛(wèi)華） 編輯：J.C. 近期熱門文章Top10 ↓ 點(diǎn)擊標(biāo)題即可查看 ↓ 1. 吃了一暑假的西瓜,，我終于發(fā)明了能避開所有瓜籽的科學(xué)吃瓜法,！ 3. 大橋耗資百萬,，通車僅四個(gè)月竟被大風(fēng)吹斷，卻成為建造史上的里程碑 4. 在七夕前夕,，我終于用數(shù)學(xué)方法找到了脫單的竅門,！ 5. 他是最接近終極理論的人，被稱為當(dāng)今愛因斯坦 6. 他所創(chuàng)學(xué)派9奪諾獎(jiǎng),，辯倒物理群雄無數(shù),，連愛因斯坦都未曾贏過 8. 她如何用一個(gè)申不到經(jīng)費(fèi),、被稱作學(xué)校之恥的項(xiàng)目，革新了整個(gè)研究領(lǐng)域,、掀起了如今的AI浪潮,？ 10. 下雪后為什么感覺很安靜,？
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