我国学者与海外合作者基于材料基因工程发现材料非晶形成能力的判据

在国家自然科学基金项目（批准号：51825104、51801230、51801095、11790291、 61888102）等资助下，中国科学院物理研究所柳延辉研究员、汪卫华研究员团队和美国耶鲁大学研究人员开展合作研究，利用材料基因工程方法发现了非晶形成能力的新判据。研究成果以“数据驱动的金属非晶形成能力通用判据的发现（Data-driven discovery of a universal indicator for metallic glass forming ability）”为题，于2021年11月4日发表在《自然.材料》（Nature Materials）杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01129-6。

合金在特定条件下形成非晶态材料的难易程度被称为非晶形成能力（Glass forming ability，GFA）。这一指标是限制非晶合金工程应用的关键问题，也是认识非晶形成机理的重要突破口。

最近，中国科学院物理研究所柳延辉、汪卫华研究团队在前期工作的基础上，打通了非晶合金高通量实验和实验数据自动分析的关键环节，实现了非晶合金新材料的高通量、流程化研发。基于这一研发模式，该团队采集、分析了5700余种合金的X射线衍射（XRD）图谱，发现XRD第一峰的峰宽（Δq）在同一合金体系内随成分的改变呈现规律性变化，合金的非晶形成能力与Δq有明显关联，宽的Δq对应强的非晶形成能力。利用Δq和GFA的关联（Δq-GFA判据），该团队在以往未被报道的Zr-Cu-Cr和Ir-Co-Ta合金体系中发现了非晶形成能力强、能够形成块体的非晶合金新材料，证明Δq-GFA判据是指导非晶合金新材料高效研发的有利工具。该团队进一步通过分子动力学模拟分析了Δq-GFA判据的理论机制，发现GFA强的合金中团簇构型种类明显高于相同体系中的其他合金（图）。这表明GFA受团簇种类分散度（Structural dispersity）的影响，更多类型的团簇参与，有利于团簇间的空间堆垛，实现整体密堆度的提高。由于每种团簇的原子间距不同，其结果即是Δq所反映的整体无序度不同。该研究成果不仅为探索非晶合金新材料提供了便捷、实用、高效的新判据，可大幅提高研发非晶合金新材料的效率（和传统的“试错法”相比，效率提高200多倍；和以往的高通量实验方法相比，效率提高100倍），而且改变了传统认为的特定团簇出现越多非晶形成能力越强的研究结论，为认识非晶形成机理给出了新的方向。