Vol. 66, No. 17 (2017)
2017年09月05日
专辑:非晶物理研究进展
2017, 66 (17): 176101.
doi:10.7498/aps.66.176101
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采用分子动力学模拟方法研究了改进的Simple pointcharge模型SPC/E水滴在Cu50Zr50非晶薄膜上的润湿行为和铺展过程.通过与CuZr（110）和（100）晶面对比研究发现，水滴在Cu50Zr50非晶薄膜表面上表现出较高的铺展速度.水滴在非晶合金表面的铺展过程中形成了明显的吸附层；而在晶态表面，水滴铺展前沿呈脚状形态.分析结果表明非晶表面的水分子在吸附层内呈现完全无序的单层排列方式，而在晶态表面，特别是（100）晶面，吸附层水分子呈双层有序排列.这种吸附层结构的差异导致了吸附层内水分子方向的差异：非晶表面吸附层内水分子方向倾向平行于表面，而晶态基底上吸附层内的水分子倾向于指向液滴内部.由此造成了非晶表面吸附层中的水分子与液滴内部以相对较弱的氢键相互作用，这使得上层水分子能够较容易扩散至吸附层前沿，促进液滴铺展.
2017, 66 (17): 176106.
doi:10.7498/aps.66.176106
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非晶合金是一种不同于传统合金材料的新型合金，其突出的机械、物理、化学等性能在工程应用领域备受关注.作为一种具有无序原子结构的新型合金，非晶合金中蕴含的丰富的物理现象在基础研究领域也备受瞩目.非晶合金往往由多个组元构成，这给成分优化和性能调制带来了巨大的挑战.材料基因组方法是最近发展起来的新方法，通过高通量制备和结构表征以及性能筛选有望加快新型非晶合金材料的探索，在高通量表征中获得的大量实验数据可以帮助人们理解非晶合金中的科学问题.本文主要介绍高通量制备和表征在非晶合金中的应用，通过列举典型案例，展示通过高通量方法探索新型非晶合金材料的作用.
2017, 66 (17): 176107.
doi:10.7498/aps.66.176107
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简要回顾了从20世纪30年代至今，有关非晶合金及合金液体的局域结构五次对称性的实验、理论和模拟研究.在简单液体的早期研究中，人们已经意识到五次对称性在简单液体的无序结构、过冷和晶化等起着重要作用，二十面体短程序作为五次对称性的典型代表受到了广泛关注.自从Frank提出简单液体中二十面体短程序的结构单元，大量的理论和实验研究已经明确在简单液体、合金液体和金属玻璃中存在局域五次对称性，并且建立了局域五次对称性与合金液体复杂动力学行为、玻璃转变、液体-液体相变以及非晶合金的形变等统一的定量描述和物理图像，表明了局域五次对称性作为结构参量的简单、普遍和有效性.
2017, 66 (17): 176402.
doi:10.7498/aps.66.176402
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由于缺乏位错、晶界等典型的晶格缺陷，金属玻璃体系中承载力的形变单元为短程序或中程序原子团簇，键的强度及成键方向是影响原子间协调变形能力主要因素.本文通过与晶态合金对比，指出金属玻璃中原子键合方式与宏观力学性能的潜在关系，综述了金属材料电子结构与力学性能内在关系的最新研究进展，并系统介绍了金属玻璃电子结构特征、表征参量和主要测试手段，使读者对金属玻璃体系中原子间的键态特征有较清晰的认识，对进一步探索本征塑性较好的金属玻璃体系具有一定指导意义.
2017, 66 (17): 176403.
doi:10.7498/aps.66.176403
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强脆转变是玻璃形成液体在从低温到高温升温过程中由强性液体转变为脆性液体的现象，反之从高温到低温冷却过程即为脆强转变.由于其意味着液体的结构发生了某种快速、非连续的变化，强脆转变现象成为异常动力学的典型代表.自1999年《Nature》杂志首次报道了水的强-脆转变现象之后，液体的强脆转变现象就作为凝聚态物理和材料科学领域中的前沿和热点问题被广泛关注.越来越多的研究表明，强脆转变现象在金属玻璃形成液体中普遍存在.为阐明金属玻璃强-脆转变现象对于深入理解玻璃转变本质、探讨液固遗传微观结构特征、揭示晶化过程相互竞争规律、提高玻璃形成能力、促进金属玻璃制备和处理工艺标准化等方面的重要意义，综合评述了强脆转变现象在金属玻璃形成液体中的普遍性、特殊性、定量表征、热力学表现以及结构起源等研究领域的最新进展，并指出了该领域今后的发展方向.
2017, 66 (17): 176406.
doi:10.7498/aps.66.176406
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低温下处于非平衡态的非晶材料升温到玻璃转变以上，要先后发生弛豫和回复最终达到平衡过冷液态，其中弛豫过程中释放的能量在回复过程中以等量的方式获取，表现出明显记忆行为.本文基于氧化物、金属与小分子等多种非晶形成体系，全面探讨了在围绕玻璃转变的一个冷却加热循环过程中的焓弛豫特征，建立了弛豫谱，发现弛豫焓在数值上与熔化焓密切相关.基于弛豫焓与非晶材料动力学Fragility之间的关联，展示了非晶体系在动力学极限（m=175）条件下的玻璃转变热力学基本特征，与热力学二级相变进行了对比.研究深化了对非晶弛豫与玻璃转变热力学的理解.
2017, 66 (17): 177101.
doi:10.7498/aps.66.177101
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熵作为系统的状态函数，对于真实物质体系而言是一个极为重要的物理量.在非晶态合金的制备过程中最具代表性的指导原则有“混乱原理”和井上三原则，二者皆与熵有着紧密的联系.在过去很长一段时间内，这些经验准则指导了大量新型非晶体系的发现，但近些年的实验结果对这些理论提出了质疑.除组元数目之外，还有其他尚待研究的因素也影响着合金体系的玻璃形成能力.本文总结了玻璃转变过程中熵在热力学条件、动力学条件和结构条件中所扮演的角色，阐述了其对玻璃形成能力产生的或正或反的影响.特别是对近几年发展起来的高熵非晶体系的研究有助于开发出临界尺寸更大的非晶合金，也有助于进一步探索多组元合金和非晶形成能力之间的关系.
2017, 66 (17): 178101.
doi:10.7498/aps.66.178101
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非晶合金作为一种快速凝固形成的新型合金材料，引起了材料研究者的极大兴趣.微观结构上长程无序、短程有序的特征使其具有独特的物理、化学和力学性能，在许多领域展现出良好的应用前景，尤其是有望成为核反应堆、航空航天等强辐照环境下的备选结构材料.本文深入探讨非晶合金的辐照效应，主要讨论离子辐照对非晶合金微观结构、宏观力学性能以及其他物理化学性能的影响，可为进一步理解非晶合金的微观结构和宏观力学性能之间的关系提供有效的实验和理论基础，也可为非晶合金在强辐照环境下的服役性能预测提供实验依据，对推进非晶合金这一先进材料的工程化应用具有重要的理论与实际意义.
2017, 66 (17): 176103.
doi:10.7498/aps.66.176103
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非晶合金是一类具有诸多优异性能的先进金属材料，同时也是研究非晶态物质的模型体系.最近，大量的实验和模拟证据显示，在非晶合金中可能存在类似晶体中缺陷的“流变单元”，这些动力学单元和非晶合金的的流变、物理、力学性能密切关联.本文主要综述了流变单元提出的背景、实验证据、流变单元的特征、激活与演化过程、相互作用以及相关的理论.文中提供了大量实验证据证明流变单元模型不仅可以帮助理解非晶态物质中如形变、玻璃转变、弛豫动力学以及非晶结构和性能的关系等重要的基本物理问题，而且可以指导非晶合金性能的调控和设计，获得性能优异的非晶合金材料.
2017, 66 (17): 176104.
doi:10.7498/aps.66.176104
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铀基非晶合金是非晶家族中的特殊成员，受限于铀元素的高活性与放射性特点，目前这类非晶材料的研究极不充分.本文结合非晶合金的最新发展动态简要介绍了铀基非晶发展历史，较系统地总结了本团队的最新铀基非晶研究工作：首先较详细地介绍了新型铀基非晶的制备技术、成分体系、形成规律与晶化行为，澄清了其形成机制与热稳定性；结合高分辨电镜分析展示了其微观结构特点；采用纳米压痕技术揭示了这类非晶的微纳力学性能；利用电化学测试方法评估了其耐腐蚀性能.这些结果丰富了非晶材料的内涵，有助于深化对非晶物理基础科学问题的理解，并推动新型铀合金材料的发展，为这种材料的潜在工程应用奠定了基础.
2017, 66 (17): 176105.
doi:10.7498/aps.66.176105
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非晶态合金在力学性能、耐磨耐蚀性、磁性等方面比传统晶态合金具有显著优势，是一类有优良应用前景的新型结构与功能材料.非晶态合金与氢相互作用可以产生很多有趣的物理化学现象和应用.本文从物理基础和材料应用两个方面评述非晶态合金和氢相互作用的研究进展，在物理基础研究方面，从氢在非晶态合金中的存在状态出发，讨论氢在非晶态合金中的溶解、分布、占位和扩散等相关物理问题，进而分析氢对非晶态合金的热稳定性、磁性、内耗、氢脆等的影响.在材料应用研究方面，对非晶态储氢合金、非晶态合金氢功能膜、吸氢改善非晶态合金的塑性和玻璃形成能力、氢致非晶化、利用非晶态合金制备纳米储氢材料等方面的研究进展进行评述.最后总结并展望有关非晶态合金与氢相互作用的研究和应用.
2017, 66 (17): 176109.
doi:10.7498/aps.66.176109
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表征纳米尺度结构非均匀对于理解非晶合金的变形、弛豫等动力学行为至关重要.受时空尺度限制，非晶合金纳米尺度结构非均匀的实验表征具有很大的挑战性.本文针对一种典型的锆基非晶合金，开展了同步辐射小角X射线散射原位拉伸实验.通过对散射曲线的定量分析，揭示了非晶合金在纳米尺度的非均匀结构图像.首先，Porod散射曲线呈现正偏离行为，表明非晶合金属于非理想两相散射体系，两相界面弥散且任一相内都存在电子密度涨落.基于散射曲线的Guinier定律分析，进一步揭示非晶合金中散射体形状远偏离球形，其特征尺度主要分布在0.8-1.6 nm之间，且在弹性变形阶段几乎不变.最后，通过Debye相关函数分析，发现这些纳米尺度散射体仅在1 nm之内存在强关联，符合非晶合金短程有序、长程无序的结构特征.研究结果表明非晶合金中存在具有复杂空间分布的纳米尺度非均匀结构.
2017, 66 (17): 176404.
doi:10.7498/aps.66.176404
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金属玻璃在其过冷液相区内表现出随着温度升高黏度逐渐降低的特性，因此可以对其进行热塑性加工.该性质颠覆了传统金属的加工成型方式，使得其在远低于传统金属材料加工的温度和应力作用下可以按照人们的要求进行成型.因此，一些具有低玻璃转变温度的金属玻璃又被称作金属塑料.另外，由于金属玻璃是一种无序结构材料，不存在位错、晶界等晶体缺陷，且热膨胀系数小，在热塑性成型中具有优异的尺寸精度，因此被认为是理想的微成型材料，有广阔的应用前景.本文系统介绍了金属玻璃的热塑性成型性质及其应用，从热塑性成型的基本概念出发，阐述了金属玻璃热塑性成型能力的评估指标、热塑性成型技术、热塑性微成型及其理论、热塑性微成型的应用等，对认识金属玻璃的热塑性及扩展其应用有重要的意义.
2017, 66 (17): 176405.
doi:10.7498/aps.66.176405
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非晶态物质广泛存在于人们的日常生活和工业生产活动中，但人们对其原子结构及其结构与性能关系的认识还远不如对晶体材料那样充分.非晶态物质的原子结构不具备空间平移对称性，这使得传统针对晶体材料的实验技术和手段无法直接有效地应用到非晶态物质的结构分析中.用常规的衍射实验数据分析方法并不能直接地观察到非晶态物质的本征结构特征，但这些实验衍射数据往往隐含有极其重要的微观结构信息.本文简要综述了这些衍射数据背后所隐含的与金属玻璃中程序相关的结构信息.研究发现，非晶态物质中的一类隐含序与晶体结构中的球周期序紧密相关，意味着非晶态物质与晶体材料之间在原子结构上存在着非凡的同源性.进一步的研究结果还表明，不同隐含拓扑序之间纠缠的强弱与体系本身的玻璃形成能力存在明显的对应关系，这为衡量金属合金玻璃形成能力强弱的经验规律——混乱原理提供了微观结构上的理解，同时为进一步深入认识和理解非晶态材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析思路和方法.
2017, 66 (17): 178102.
doi:10.7498/aps.66.178102
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将块体材料制备成微纳米纤维时，其力学性能会得到进一步的提高，甚至具备块体材料所没有的力学行为.非晶态材料可经过熔体拉丝一次性成型而得到所需尺寸的均匀纤维，纤维表面质量好，其制备过程相对简单且节能.由于非晶材料短程有序、长程无序的结构，具备优异的力学性能，所以非晶纤维有着广泛的应用前景和基础研究价值.本文对能制备成非晶纤维且有优异力学性能的材料做了简单介绍，对非晶纤维的制备方法及其成型物理机制、非晶纤维的力学行为及其物理机制进行了综述，最后总结了非晶纤维的制备和力学行为的研究中存在的问题，对非晶纤维的发展前景做了展望.
2017, 66 (17): 176102.
doi:10.7498/aps.66.176102
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玻璃-液体转变现象，简称玻璃转变，被诺贝尔物理学奖获得者安德森教授评为最深奥与重要的凝聚态物理问题之一.金属玻璃作为典型的非晶态物质，具有与液体相似的无序原子结构，因此又称为冻结了的液态金属，是研究玻璃转变问题的理想模型材料.当加热至玻璃转变温度，或者加载到力学屈服点附近时，金属玻璃将会发生流动.由于热或应力导致的流动现象对金属玻璃的应用具有重要意义.本文简要回顾了金属玻璃流变现象，综述了流变扩展弹性模型的研究进展和未来发展趋势.
2017, 66 (17): 176108.
doi:10.7498/aps.66.176108
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非晶态物质处于热力学非平衡状态，稳定性是非晶态材料应用的重要瓶颈，也是理论研究的关键问题.最近人们开发出相当于普通金属玻璃退火上百万年的“超稳定玻璃”，为研究非晶态材料的稳定性和非晶态物质的本质提供了新契机.本文简要介绍超稳定玻璃的特点、形成机理以及其对非晶态物理学基本问题提供的新见解和新思路.
2017, 66 (17): 176110.
doi:10.7498/aps.66.176110
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迄今为止，人类社会新技术的发展主要是基于各种晶体材料（如金属、半导体等）的应用.晶体材料的性能可以通过改变它们的微观缺陷结构和/或微观化学结构来调控，但这对于当前的非晶材料而言却是难以实现的.新型的纳米结构非晶材料可以通过引入大量的非晶/非晶界面来改变非晶材料的微观缺陷结构和/或微观化学结构，从而实现对其性能的调控.本文主要讨论了目前纳米结构非晶合金材料的研究进展，包括其制备方法、结构特征和新性能.通过利用这些新特性，有可能会开启一个基于非晶材料的新技术时代.
2017, 66 (17): 176111.
doi:10.7498/aps.66.176111
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块体非晶合金因其独特的原子结构而具有许多优异的力学性能，成为近年来材料领域的研究热点之一，但是由于其在变形过程中的室温脆性和应变软化等关键问题一直制约着其实际工程应用.为解决此问题，块体非晶合金领域的研究者们提出了多种方案，包括通过在非晶合金中调控其内禀特性如弹性常数、结构不均匀性，通过外加手段改变其应力及缺陷状态，通过外加和内生的方法在非晶基体中引入晶态增强相等方式，获得了一系列力学性能优异的块体非晶合金及其复合材料.特别是利用相变诱导塑性（transformation-induced plasticity，TRIP）概念研制出的块体非晶合金复合材料，同时具有大的拉伸塑性和加工硬化能力.本文围绕块体非晶合金的韧塑化这个关键科学问题，对单相非晶及非晶复合材料的韧塑化方案及机理进行了综述，着重介绍了TRIP韧塑化块体非晶合金复合材料的制备、性能、组织调控及韧塑化机理等，并对此领域的未来发展进行了展望.
2017, 66 (17): 176112.
doi:10.7498/aps.66.176112
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非晶合金，即金属玻璃，是一类特殊的由基本化学元素组成的非晶态物质，由于其独特的微观组织结构，展现出了不同于传统晶态合金材料的特殊物性，而成为高性能材料应用领域的重要一员.由于非晶合金的结构无序性，且当前精确表征其微观结构的实验手段缺乏，相应的理论模型也不完善，人们对非晶合金中一些基础物理问题的认识尚且不足，无法形成基本的理论框架来精确地描述其物性产生的微观机理.因而，当前非晶合金研究的核心问题可以概括为：如何建立以微观特征或结构为基础的基本理论框架，准确地概括非晶合金物性的微观机理.在过去几十年里，针对非晶合金的大量研究表明，在非晶合金长程无序的特征中，隐藏着本征的不均匀性和有序，且这些不均匀性的特征与材料物性有着密切的关联，使得建立以不均匀性特征为基础的理论框架成为可能.本文从非晶合金微观特征的不均匀性包括静态不均匀性和动态不均匀性的视角出发，概括性地总结了非晶合金材料与物理研究中取得的丰硕成果，及当前需要关注的重要科学问题，并针对未来可能的研究模式进行了展望.
2017, 66 (17): 176113.
doi:10.7498/aps.66.176113
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磁性半导体兼具磁性和半导体特性，通过操控电子自旋，有望实现接近完全的电子极化，提供一种全新的导电方式和器件概念.目前磁性半导体的研究对象主要为稀磁半导体，采用在非磁性半导体中添加过渡族磁性元素使半导体获得内禀磁性的方法进行制备.但大部分稀磁半导体仅具有低温磁性，成为限制其在室温可操控电子器件中应用的瓶颈.针对这一关键科学问题，本文提出与传统稀磁半导体制备方法相反的合成思路，在磁性非晶合金中引入非金属元素诱发金属-半导体转变，使磁性非晶获得半导体电性，研制出具有新奇磁、光、电耦合特性的非晶态浓磁半导体，揭示其载流子调制磁性的内禀机理，发展出可在室温下工作的p-n结及电控磁器件.
2017, 66 (17): 176401.
doi:10.7498/aps.66.176401
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非晶态材料有着复杂的原子结构（短程有序、长程无序）和特殊的物理性质，其临界现象和相变问题一直受到学术界关注.非晶合金，又称为金属玻璃，是一种新型的非晶态材料，具有很高的强度和优异的弹性.从微观的角度来看，非晶合金可以看作是一个多粒子系统.临界现象的研究对认识和理解多粒子系统之间的相互作用有深刻的意义.本文主要讨论非晶合金中的临界现象，包括非晶合金从制备过程、微观结构到宏观的力学性能以及磁性方面存在的临界现象，并分析这些临界现象之间的内在联系，进而深入理解非晶合金的微观结构对其宏观性质的影响.这为认识非晶合金的形成本质，提高服役可靠性，探索具有实际应用价值的非晶合金提供理论依据.
2017, 66 (17): 176407.
doi:10.7498/aps.66.176407
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一定压强下对液体进行冷却，若避免晶化，则冷却中液体不可避免地转变为典型非晶态固体-玻璃.这种现象称为玻璃转变，是一种普遍存在的自然现象，涉及多体相互关联体系中众多基础理论问题.近几十年以来，玻璃转变问题的探索过程中，弛豫存在的普适性、其机理/物理图像及其对液体和玻璃性能认知的影响等一直是争论的热点.在梳理β弛豫研究进展的同时，本文尝试对未来β弛豫研究方向进行展望.
2017, 66 (17): 176408.
doi:10.7498/aps.66.176408
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研制具有极限力学性能的金属材料一直是材料研究人员的梦想.超高强块体非晶合金是一类具有极高断裂强度（≥ 4 GPa）、高热稳定性（玻璃化转变温度通常高于800 K）和高硬度（通常高于12 GPa）的新型先进金属材料，其代表合金材料Co-Ta-B的断裂强度可达6 GPa，为目前公开报道的块体金属材料的强度记录值.本文系统地综述了该类超高强度块体非晶合金的组分、热学性能、弹性模量及力学性能，阐述了该类材料的研发历程；以弹性模量为联系桥梁，阐明了该类超高强块体非晶合金材料各物理性能的关联性，并揭示了其高强度、高硬度的价键本质.相关内容对于材料工作者了解该类超高强度金属材料的性能和特点，并推进该类材料在航空航天先进制造、超持久部件、机械加工等领域的实际应用有着重要意义.
2017, 66 (17): 176409.
doi:10.7498/aps.66.176409
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非晶合金的功能物性开发是突破非晶合金应用瓶颈的关键点之一.磁相变是非晶合金的一个重要特征.利用非晶合金的磁相变所带来的独特效应，可以将其应用于制冷领域.一方面非晶合金的磁热效应可以作为磁制冷材料应用于磁制冷机，另一方面非晶合金的比热突变可以作为磁蓄冷材料应用于低温制冷机.本文就非晶合金的磁热效应和磁蓄冷性能的原理、特征及其应用前景进行了详细介绍.
2017, 66 (17): 176410.
doi:10.7498/aps.66.176410
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绝大多数物质的液态密度随温度降低而增大，即常见的热胀冷缩现象.但存在一类物质，如水及第四主族的硅、锗等，其液态密度在一定温度范围内随温度的升高而增大，即密度反常现象.此外，该类物质还存在动力学反常（密度越大粒子运动越快）、热力学反常（热力学量的涨落随温度降低而升高）等其他反常特性.这类材料的化学性质千差万别，但却具有相似的物理反常特性.进一步的理论研究发现部分材料具有两种液态，即高密度液态和低密度液态，两者之间存在一级相变.因此，反常特性与液体-液体相变是否有直接关联是一个值得深入研究的课题.本文主要介绍了具有液体-液体相变的一类材料及其反常特性，包括高温高压下氢的液体-液体相变及其超临界现象，镓的反常特性及其与液体-液体相变的关联等.
2017, 66 (17): 176411.
doi:10.7498/aps.66.176411
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金属塑料是我国学者发现和命名的新材料.本文重点阐述金属塑料这类材料是如何发现的以及这类材料的设计思想与规则；总结了从金属塑料材料成分、典型材料的微观结构与物理化学特性等方面的最新研究成果；对于金属塑料类材料的潜在应用前景做了展望与分析.
2017, 66 (17): 178103.
doi:10.7498/aps.66.178103
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非晶材料是由液体快冷冻结而成的结构无序的亚稳态固体.在受力条件下，非晶材料表现出独特和复杂的流变行为，具有跨尺度的高度时空不均匀特征，并在一定条件下表现出自组织临界行为，和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.本文结合作者近年来在非晶合金流变行为方面的研究结果，对非晶材料流变的研究进展和物理机制的认识进行介绍，包括非晶材料流变的跨尺度特征、表征和微观结构机制，以及近年来发现的非晶力学流变的自组织临界行为、物理机制等.最后，对非晶材料流变行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.
2017, 66 (17): 178201.
doi:10.7498/aps.66.178201
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胶体玻璃作为一种软物质材料由于其独特的物理化学特性在非晶态物理的研究中有重要的应用.本文简要介绍了胶体玻璃与玻璃材料的联系，并通过具体的研究实例介绍了胶体玻璃在研究非晶结构、动力学以及热力学方面的应用，对胶体玻璃未来的研究进行了展望.