Nuevo método de espectroscopia revela una dinámica de relajación acelerada en cerio comprimido

7 de junio de 2023

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Un obstáculo importante en nuestra comprensión del vidrio y los fenómenos del vidrio es la relación difícil de alcanzar entre la dinámica de relajación y la estructura del vidrio. Un equipo dirigido por el Dr. Qiaoshi Zeng de HPSTAR desarrolló recientemente un nuevo método de espectroscopia de correlación de fotones de rayos X de gran angular de alta presión in situ para permitir estudios de dinámica de relajación a escala atómica en sistemas de vidrio metálico bajo presiones extremas. El estudio se publica en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Los vidrios metálicos (MG), con muchas propiedades superiores tanto a los metales como a los vidrios convencionales, han sido el foco de investigación en todo el mundo. Como materiales termodinámicamente metaestables, como los vidrios típicos, los MG evolucionan espontáneamente hacia sus estados más estables todo el tiempo a través de varios comportamientos dinámicos de relajación.

Estos comportamientos de relajación tienen efectos significativos en las propiedades físicas de las MG. Aún así, hasta ahora, la capacidad de los científicos para profundizar en la comprensión de la dinámica de relajación del vidrio y, especialmente, sus relaciones con las estructuras atómicas, se ha visto limitada por las técnicas disponibles.

"Gracias a las mejoras recientes en la espectroscopia de correlación de fotones de rayos X de sincrotrón (XPCS), es posible medir los movimientos colectivos de partículas de muestras vítreas con una alta resolución y una amplia cobertura en la escala de tiempo y, por lo tanto, varios procesos dinámicos microscópicos que de otro modo serían inaccesibles. explorado en vasos", dijo el Dr. Zeng.

"Sin embargo, el cambio en las estructuras atómicas es sutil en las mediciones anteriores del proceso de relajación, lo que hace que aún sea difícil probar la relación entre la estructura y el comportamiento de relajación. Para superar este problema, decidimos emplear alta presión porque puede alternar la estructura de manera efectiva de diversos materiales, incluido MG".

Con este fin, el equipo desarrolló XPCS de gran angular de sincrotrón de alta presión in situ para probar un material MG a base de cerio durante la compresión. El XPCS gran angular de alta presión in situ reveló que el movimiento atómico colectivo inicialmente se ralentiza, como generalmente se espera con el aumento de la densidad. Luego, en contra de la intuición, se acelera con una mayor compresión, mostrando un cruce dinámico de relajación constante inducido por la presión no monótono inusual a ~ 3 GPa.

Además, al combinar estos resultados con la difracción de rayos X de sincrotrón de alta presión in situ, la anomalía de la dinámica de relajación se correlaciona estrechamente con los cambios dramáticos en las estructuras atómicas locales durante la compresión, en lugar de escalar monótonamente con la densidad de la muestra o el nivel de estrés general.

"A medida que aumenta la densidad, los átomos en los vidrios generalmente se vuelven más difíciles de mover o difundir, lo que ralentiza su dinámica de relajación. Esto es lo que normalmente esperamos de la compresión hidrostática", explicó el Dr. Zeng.

"Entonces, el comportamiento de relajación no monotónico observado aquí en el MG a base de cerio bajo presión es bastante inusual, lo que indica que, además de la densidad, los detalles estructurales también podrían desempeñar un papel importante en la dinámica de relajación del vidrio", explicó el Dr. Zeng.

Estos hallazgos demuestran que existe una estrecha relación entre la dinámica de relajación del vidrio y las estructuras atómicas en las MG. La técnica que desarrolló aquí el grupo del Dr. Qiaoshi Zeng también se puede ampliar para explorar la relación entre la dinámica de relajación y las estructuras atómicas en varios vidrios, especialmente aquellos significativamente ajustables por compresión, lo que ofrece nuevas oportunidades para los estudios de dinámica de relajación de vidrio en condiciones extremas.

Más información: Qiaoshi Zeng et al, Cruce no monotónico inducido por la presión de la dinámica de relajación constante en un vidrio metálico, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.230228112

Información del diario:procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias

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