非晶玻璃材料是典型的復雜體系。其中，非晶合金（又稱為金屬玻璃）兼具金屬和玻璃、固體和液體的特征，呈現優異的機械、物理和化學性能，在高端裝備、能源、信息等高技術領域有重要應用。非晶合金也是研究、認識復雜體系中科學問題和現象的重要材料模型。
一般認為，任何金屬或合金在特定條件下都可以形成非晶態材料，其難易程度被稱為非晶形成能力（Glass forming ability，GFA）。這一指標直接決定了某種合金成分能形成多大尺寸的完全非晶態材料并呈現出非晶態材料的特性，非晶形成能力不足將限制大尺寸構件的批量生產和加工制造。因此，非晶形成能力是限制非晶合金工程應用的關鍵問題，也是認識非晶形成機理的重要突破口。然而，非晶合金是典型的多組元合金材料，其元素多樣性和復雜性使得高性能非晶合金材料的按需設計極具挑戰。為預測合金體系的非晶形成能力，研究者們提出了十幾種判據，但這些判據存在難以量化或測量困難等問題，其預測能力和實用性難以達到按需設計的要求。計算模擬研究表明，非晶合金的形成受短程序（short-range order）及其空間排布的影響，但原子堆垛結構和非晶形成能力之間的定量關系仍然難以確定。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心柳延輝、汪衛華研究團隊前期采用材料基因工程理念發展了高通量實驗方法，實現了非晶合金的快速篩選，研制出高溫塊體非晶合金（Nature, 2019, 569, 99），證實了材料基因工程在非晶合金研發中的有效性和高效率。近期，該團隊打通了非晶合金高通量實驗和實驗數據自動分析的關鍵環節，實現了非晶合金新材料的高通量、流程化研發（圖1a、b）。基于這一研發模式，該團隊和耶魯大學Jan Schroers團隊合作，采集了5700余種合金的X射線衍射（XRD）圖譜。這些合金涵蓋了12個典型的非晶形成體系，其制備工藝、表征方法高度一致，可以揭示非晶形成及結構隨成分的演化。他們發現，在同一合金體系內，XRD第一峰的峰寬（Δq）隨成分的改變呈現規律性變化（圖1c、d），不同合金的非晶形成能力與Δq有明顯關聯（圖2），寬的Δq對應強的非晶形成能力。這一個規律為探索非晶合金新材料提供了便捷、實用、高效的新判據（簡稱Δq-GFA判據），可大幅提高研發非晶合金新材料的效率：與傳統的“試錯法”相比，效率提高200多倍；與以往的高通量實驗方法相比，效率提高100倍（圖3）。為證實Δq-GFA判據的預測能力和實用性，該團隊選擇以往未被報道的Zr-Cu-Cr和Ir-Co-Ta合金體系，通過高通量制備和表征獲得了這兩個合金體系的Δq分布，并在Δq-GFA判據的指導下發現了非晶形成能力強、能夠形成塊體的非晶合金新材料（圖4），證明Δq-GFA判據是指導非晶合金新材料高效研發的有利工具。
由于XRD反映的是非晶合金中統計平均的結構信息，Δq隨合金成分的變化表明，在同一合金體系內，GFA的成分依賴性與非晶相的整體原子堆垛結構有關。Δq的大小往往反映了結構的無序程度，Δq越大，結構無序度越大。Δq和GFA的關聯說明，在同樣的制備條件下，GFA強的合金具有更為無序的結構。然而過去的研究認為，GFA與幾種密排度較高的特定團簇有關（如類二十面體團簇），這些團簇可使非晶結構實現接近晶體的密堆度，從而帶來更強的GFA。Δq所反映的強GFA合金整體無序度更高的觀點似乎和文獻觀點不符。為澄清這一矛盾，該團隊通過分子動力學模擬分析了同一體系中不同非晶合金的原子結構。結果表明，GFA強的合金中團簇構型種類明顯高于相同體系中的其他合金，表明GFA受團簇種類分散度（Structural dispersity）的影響。研究認為，二十面體團簇等短程有序結構是非晶結構中原子密堆的主要貢獻，但這些團簇在實際材料中出現不同程度的扭曲。這些扭曲的團簇無法實現空間上的完全填充。更多類型的團簇參與，有利于團簇間的空間堆垛，實現整體密堆度的提高。也就是說，團簇構型種類越分散，反而越有利于在非晶結構中實現密堆（圖5）。由于每種團簇的原子間距不同，其結果即是Δq所反映的整體無序度不同。
Δq-GFA判據不僅能大幅提高非晶合金新材料的研發效率，更有可能深化對非晶形成機理的認識。在晶體材料中能夠建立明確構效關系的主要原因在于晶體的周期性和對稱性可將問題簡化至最小單元。該團隊的發現表明，將問題簡化到特定團簇或“單元”的方法似乎不能反映非晶體系的情況。在非晶體系中，提高“單元”的分散度反而能提高GFA。這意味著，認識非晶形成機理更應從整體行為而非特定局域結構入手。
物理所副研究員李明星、博士后孫奕韜、副主任工程師王超是這項工作的共同第一作者，柳延輝研究員是通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃（2018YFA0703600）、國家杰出青年科學基金（51825104）、國家自然科學基金委項目（51801230, 51801095, 11790291, 61888102），中科院B類先導專項（XDB30000000）、材料基因研究平臺等項目的支持。
相關研究結果于2021年11月4日在線發表在《Nature Materials》上。
圖1. 非晶合金高通量研發流程，包括組合材料制備、自動化成分分析和結構表征、衍射峰自動分析。數據表明，XRD衍射第一峰的峰寬Δq隨成分逐步變化。
圖2. Δq在12種典型的非晶合金體系中的分布，其中紅色區域為Δq的最大值，黑色的圓點為文獻報道的GFA最強的合金成分。
圖3. 三種非晶合金開發方法的效率對比。對于一個三元合金系，常規的試錯法需要制備、表征約250個塊體合金；先前的高通量方法可將塊體合金的制備數量降低至100個；Δq-GFA可將塊體合金的制備數量降低至個位數。
圖4. 利用Δq-GFA判據，在ZrCuCr合金體系中發現了可形成塊體非晶合金的新材料。
圖5. Zr-Cu-Al合金的分子動力學模擬結果。隨Zr含量的變化，Δq、團簇構型種類、密堆度呈相似的變化趨勢。