Металлические стекла представляют собой сравнительно новые объекты интереса материаловедов. В металлических стеклах сочетаются преимущества металлов и стекол и исключаются недостатки этих конструкционных материалов. Например, металлические стекла отличаются меньшей хрупкостью, чем стекла и большей эластичностью, чем металлы. Металлические стекла отличаются также уникальными электронными свойствами, изучение которых началось сравнительно недавно.

В новом исследовании для изучения связи между плотностью и электронными свойствами церий-алюминиевых металлических стекол исследователи из Института Карнеги использовали эксперименты под высоким давлением. Результаты исследования открывают перспективы для разработки металлических стекол для применения в специфических областях.

Для экспериментов при высоком давлении
использовали алмазные наковальни

Хо-квонг Мао (Ho-kwang Mao) отмечает, что высокое давление может привести к изменению электронных свойств металлических стекол, например – плотности и электронных свойств, анализ которых позволит изучить их природу на атомном уровне. Полученная таким образом информация, в свою очередь, даст возможность точнее предсказывать свойства металлических стекол и направленно разрабатывать новые материалы.

В отличие от обычных металлических материалов, которые характеризуются упорядоченной металлической кристаллической решеткой, металлические стекла неупорядочены на атомном уровне. Отсутствие порядка может привести к улучшению ряда свойств материала – границы между кристаллическими зернами в образце металла часто являются областями, в которых начинается надлом или коррозия. Лишенные кристаллических зерен металлические стекла в ряде случаев характеризуются более высокой прочностью и долговечностью. Неупорядоченная структура и отсутствие дефектов кристаллической решетки приводит также и к тому, что металлические стекла представляют высокоэффективные магнитные материалы.

Плотность такого материала, как стекло может быть изменена за счет увеличения давления. Однако в отличие от других стекол, объем которых меняется за чет перегруппировки атомов и уменьшения расстояния между ними, атомы в металлических стеклах достаточно плотно упакованы. Такая высокая плотность упаковки атомов позволяла исследователям сомневаться в возможности перевода металлических стекол в более плотные фазы.

Однако в 2007 году было обнаружено, что металлические стекла с высоким содержанием церия могут увеличить плотность при увеличении давления. Было сделано предположение, что уменьшение объема происходит из-за вызванной давлением делокализации электронов, приводящей к уменьшению межатомного расстояния и увеличению плотности упаковки. Однако, это предположение до настоящего времени не было проверено экспериментально.

Исследователи под Стэнфорда и ряда китайских университетов наблюдали за трансформацией электронной конфигурации церий-алюминиевых металлических стекол (Ce₇₅Al₂₅) с помощью одновременного использования in-situ рентгеновской спектроскопии высокого давления и диффрационных методов. Церий-алюминиевые металлические стекла были выбраны в качестве объекта исследования, так как высокое содержание церия в этих материалах упрощает наблюдение за превращениями электронов. Эксперименты показали, что при давлении от 1,5 до 5,0 ГПа объем металлического стекла уменьшался на 9%, при этом, как и было ранее предсказано, наблюдалась делокализация 4f электронов церия.

Исследователи заявляют, что результаты эксперимента подтверждают связь между фазовым переходом металлических стекол и изменениями их электронного строения, полагая, что изменения подобного рода могут быть детектированы и для других систем с меньшим содержанием церия или его аналогов.