[论文解读] Vibrational and configurational entropy separation in bulk metallic glasses: A thermodynamic approach

René Alvarez-Donado, Alex Antonelli|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2019

Material Dynamics and Properties被引用 2

一句话总结

本研究提出一种热力学方法，利用非平衡绝热切换与可逆缩放技术的分子动力学模拟，无需依赖晶体参考相，即可分离块状金属玻璃中的振动熵与构型熵。该方法成功量化出Cu₄₆Zr₄₆Al₈的构型熵比Cu₅₀Zr₅₀高出70%，与实验数据一致，并将构型熵与玻璃形成能力相关联。

ABSTRACT

We applied an efficient methodology to separate vibrational and configurational entropies in bulk metallic glasses by means of molecular dynamics simulation based on a combination of non-equilibrium adiabatic switching and reversible scaling methods. This approach involves calculating the vibrational free energy using the Einstein crystal as a reference for the solid phase and the recently proposed Uhlenbeck-Ford model for the fluid phase. This methodology has the advantage that it does not require a crystalline solid phase for separating the entropies. Therefore, in principle, it is applicable to any material, regardless of whether or not it has a crystalline phase. Using this methodology, we separate the vibrational and configurational entropies of two metallic glasses with different fragilities at zero external pressure, namely, Cu$_{50}$Zr$_{50}$ and Cu$_{46}$Zr$_{46}$Al$_{8}$. We find that the results for the former alloy are in quite reasonable agreement with recent experimental work by Smith extit{et al.}[H. L. Smith extit{et al.}, Nat. Phys. extbf{13}, 900 (2017)]. We also find the configurational entropy of the glass containing Al to be 70\% larger than that of the other glass. Our results suggest that, although other factors may be at play, the configurational entropy can be used to investigate the effect of the addition of a minor-alloying element on the glass-forming ability of bulk metallic glasses.

研究动机与目标

• 开发一种热力学上一致的方法，无需依赖晶体参考相，即可分离块状金属玻璃中的振动熵与构型熵。
• 研究构型熵在决定玻璃形成能力中的作用，特别是当存在少量合金元素时的影响。
• 针对Cu₅₀Zr₅₀金属玻璃的最新实验数据，验证该方法的准确性。
• 比较两种具有不同脆性的金属玻璃（Cu₅₀Zr₅₀与Cu₄₆Zr₄₆Al₈）中构型熵的贡献。

提出的方法

• 采用非平衡绝热切换的分子动力学模拟，计算玻璃态与参考态之间的吉布斯自由能差。
• 使用爱因斯坦晶体作为固相参考，以计算振动自由能贡献。
• 应用Uhlenbeck-Ford模型描述流体相，并计算其对吉布斯自由能的贡献。
• 采用可逆缩放技术，提升吉布斯自由能估算的收敛性与准确性。
• 结合上述方法，通过从总熵中减去振动熵贡献，实现构型熵的分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖晶体参考结构的前提下，准确分离金属玻璃中的振动熵与构型熵？
• RQ2 添加少量合金元素（Al）如何影响块状金属玻璃的构型熵？
• RQ3 计算得到的构型熵在多大程度上与Cu₅₀Zr₅₀的实验测量结果一致？
• RQ4 玻璃的脆性如何影响振动熵与构型熵的相对贡献？

主要发现

• 该方法成功实现了无需晶体相的振动熵与构型熵分离，可推广应用于任何非晶材料。
• 计算得到的Cu₄₆Zr₄₆Al₈的构型熵比Cu₅₀Zr₅₀高出70%，表明Al的引入显著提升了构型熵。
• 振动熵贡献与Smith等人（Nat. Phys. 13, 900, 2017）针对Cu₅₀Zr₅₀的实验数据一致，验证了该方法的准确性。
• 含Al玻璃中更高的构型熵表明其具有更强的热力学驱动力促进玻璃形成，支持其在提升玻璃形成能力中的作用。