새로운 분광학 방법으로 압축된 세륨의 가속화된 이완 역학 확인

2023년 6월 7일

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유리와 유리 현상에 대한 우리의 이해에 있어 주요 걸림돌은 이완 역학과 유리 구조 사이의 파악하기 어려운 관계입니다. HPSTAR의 Qiaoshi Zeng 박사가 이끄는 팀은 최근 극압 하에서 금속 유리 시스템에서 원자 규모 이완 역학 연구를 가능하게 하는 새로운 현장 고압 ​​광각 X선 광자 상관 분광법을 개발했습니다. 이번 연구는 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.

기존 금속과 유리에 비해 많은 우수한 특성을 지닌 금속 유리(MG)는 전 세계적으로 연구의 초점이 되어 왔습니다. 일반적인 유리와 같이 열역학적으로 준안정한 물질인 MG는 다양한 이완 동적 거동을 통해 항상 보다 안정적인 상태로 자발적으로 진화합니다.

이러한 이완 행동은 MG의 물리적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 그러나 지금까지 유리 이완 역학, 특히 원자 구조와의 관계에 대한 이해를 심화하는 과학자들의 능력은 이용 가능한 기술에 의해 제한되었습니다.

"최근 싱크로트론 X선 광자 상관 분광법(XPCS)의 발전 덕분에 유리질 샘플의 집단 입자 운동을 고해상도와 시간 척도의 넓은 적용 범위로 측정하는 것이 가능해졌습니다. 따라서 다른 방법으로는 접근할 수 없었던 다양한 미세한 동적 프로세스가 안경을 끼고 연구한 적이 있습니다."라고 Zeng 박사는 말했습니다.

"그러나 이전 이완 과정 측정에서는 원자 구조의 변화가 미묘하여 구조와 이완 거동 사이의 관계를 조사하기가 여전히 어렵습니다. 이 문제를 극복하기 위해 구조를 효과적으로 교체할 수 있기 때문에 고압을 사용하기로 결정했습니다. MG를 비롯한 다양한 소재로 제작되었습니다."

이를 위해 팀은 압축 중에 세륨 기반 MG 재료를 조사하기 위해 현장 고압 ​​싱크로트론 광각 XPCS를 개발했습니다. 현장 고압 ​​광각 XPCS는 밀도가 증가함에 따라 일반적으로 예상되는 것처럼 집단적 원자 운동이 처음에는 느려지는 것으로 나타났습니다. 그런 다음 반직관적으로 추가 압축을 통해 가속되어 ~3 GPa에서 특이한 비단조 압력에 의해 유도된 꾸준한 이완 역학 크로스오버를 보여줍니다.

또한 이러한 결과를 현장 고압 ​​싱크로트론 X선 회절과 결합함으로써 이완 역학 이상 현상은 샘플 밀도 또는 전체 응력 수준에 따라 단조롭게 확장되는 것이 아니라 압축 중 국부 원자 구조의 극적인 변화와 밀접한 상관 관계가 있습니다.

"밀도가 증가함에 따라 유리의 원자는 일반적으로 이동하거나 확산하기가 더 어려워지고 이완 역학이 느려집니다. 이는 우리가 일반적으로 정수압 압축에서 기대하는 것입니다."라고 Zeng 박사는 설명했습니다.

따라서 압력 하에서 세륨 기반 MG에서 관찰된 비단조적 이완 거동은 매우 이례적이며 이는 밀도 외에도 구조적 세부 사항도 유리 이완 역학에서 중요한 역할을 할 수 있음을 나타냅니다.라고 Zeng 박사는 설명했습니다.

이러한 발견은 유리 완화 역학과 MG의 원자 구조 사이에 밀접한 관계가 있음을 보여줍니다. 여기에서 개발된 Qiaoshi Zeng 박사 그룹의 기술은 다양한 유리, 특히 압축에 의해 상당히 조정 가능한 유리의 이완 역학과 원자 구조 사이의 관계를 탐색하도록 확장되어 극한 조건에서 유리 이완 역학 연구를 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.