中国科学院物理研究所白海洋和孙永昊团队的美丽发现 -- “变色非晶合金”

梅特勒托利多

2021/05/28 09:04

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梅特勒托利多推出的热重分析仪（TGA 2）拥有亚微克级分辨率的微量和超微量天平，可在室温至1100℃的范围内测量，精确探测0.1µg的质量变化，提供精确的可值得信赖的结果。最近，中国科学院物理研究所博士研究生王朋飞，在孙永昊特聘研究员和白海洋研究员的共同指导下，与来自中科院物理研究所、中国科学院大学、钱学森空间技术实验室和捷克Jan Evangelista Purkyne大学的成员合作发现了一系列变色非晶合金。这些非晶合金能够在自然条件下自发地改变颜色，其色泽均匀明亮，在表面磨损后还可以自行修复。研究人员利用热重分析仪（TGA 2），准确地表征了非晶合金的氧化速率，揭示了非晶态结构在氧化上的独特优势。

色彩绚丽的材料一直被人们所钟爱。无论是东方的青花瓷，还是西方的彩色教堂玻璃，亦或是当下各种电子产品的彩色包装，都说明了这一点。金属材料的电化学氧化着色，虽然在机理上已有清楚的认识，在技术层面上也有了比较成熟的工艺，但仍存在污染、工艺复杂和颜色耐久性差等问题。更重要的是，目前的技术对实现单一颜色的着色比较成功，但是在实现合金表面持续变色上无能为力。

色彩绚丽的琉璃窗（图片来自网络，侵删）

为实现合金表面自发变色，研究团队选择自然氧化作为技术路线，通过调节氧化层的厚度来获得颜色。分析表明，为获取高质量的表面自然氧化至少需要以下两个条件：

1）氧化可以持续地进行且不中断；

2）氧化层均匀生长，以避免快速氧化通道带来的锈蚀。

铈基非晶合金作为一种新型的金属材料，其独特的低玻璃化转变温度和长程无序的原子结构满足了上述两个条件的要求，其在表面自发氧化着色方面可能有巨大优势。研究人员选择了具有低的玻璃化转变温度（约85℃）的铈基非晶合金，通过掺杂稀土元素，发现了该体系在室温和空气条件下具有自发氧化和自发变色的性质。合金表面的颜色均匀明亮，变色范围可覆盖可见光区，且可自修复。

研究人员利用TGA2定量分析了高纯铈、非晶合金和其对应的晶态合金的氧化动力学行为。相比之下，非晶合金展示出慢氧化、高热稳定性和颜色均匀明亮的特点。

研究人员依托TGA2对非晶合金体系的氧化动力学进行了细致的分析。结果表明，对比纯金属和晶态合金，非晶合金展示了慢氧化和高热稳定性的优势。如图所示，非晶合金的颜色均匀，而晶态合金的颜色斑驳。该研究提供了一种获取表面变色非晶合金的方法，不仅为氧化这一基础研究课题提供了新思路，也为非晶合金的应用指出了新方向。

该工作得到了国家自然科学基金（51971239）等项目的支持。相关的研究成果发表在期刊Journal of Alloys and Compounds上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160139