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。上述工作的通信作者为北京计算科学研究中心管鹏飞。
非晶合金中的不均匀性
从宏观上看，不同于晶体材料所呈现的各向异性，即在不同的晶带轴方向上晶体的物理性质不同，非晶合金一般呈现出各向同性，不同方向上的物理性质，如力学、热学及磁学特性等相同,这正是由于非晶合金的原子结构在较大尺度上看是无序且各向同性的。然而，在纳米甚至微米的尺度上，最近的研究表明非晶合金的结构和动力学是不均匀的。
1非晶合金不均匀性的本源
从非晶的形成过程，可知过冷液体是非晶的 “本源”: 随着温度的迅速降低或压力的迅速增加，过冷液体的黏度急剧增加，从而使得动力学行为变得异常缓慢，并在某一温度经历玻璃转变而变成非晶态物质。因此非晶也被认为是一种处于非平衡态的 “冻结的液体”。
同时，过冷液体中动力学行为的空间分布不均匀性也伴随着密度、结构及元素分布的不均匀性。随着温度的降低和发生玻璃转变，这些不均匀性将被冻结 (遗传)在非晶体系中。因而，非晶合金中不均匀性起源于其 “本源”过冷液体的本征属性: 不均匀性。
2静态不均匀性
非晶合金处于非平衡态，其结构会随着时间演化。非晶合金结构中最近邻和次近邻的原子排列具有一定的有序性。正是这些结构序的存在，非晶合金的原子结构在纳米甚至微米尺度上表现出不均匀性。
2.1 结构不均匀性
通常意义上的非晶合金，无论是其结构的短程序还是中程序，都是非晶的结构不均匀性在特定空间尺度上的具体体现; 当空间尺度远远超越了中程序，由于非晶结构的长程无序的特点,其结构不均匀性的特征将不可分辨，进而表现为均匀性。这些局域结构空间分布的不均匀性被认为与非晶的诸多物性有着密切的关联，一直以来是非晶合金研究的热点。
2.2 化学元素不均匀性
化学元素的无序是非晶合金除结构无序以外的另一重要的静态无序特征。与晶态合金中元素的有序占位不同，非晶合金中的元素分布比较混乱，但从整体上来看是均匀分布的。但由于各元素之间的混合焓或成键能力的差异，元素之间的近邻关系体现出不同的偏好，使得元素的局域分布表现出不均匀性。
近来，已经可以利用各种人为的手段在非晶合金中引入各种尺度上的结构和元素不均匀性，如纳米金属玻璃、纳米晶-非晶复合体系等，来实现对其性能的调控。
3动态不均匀性
非晶对外场的响应主要有两类: 一类是对温度场的响应，一类是对应力场的响应。
3.1 温度场响应
在温度场下，非晶体系的响应主要表现为对应于结构重排的弛豫行为和对应于声子模式的粒子在平衡位置附近的热振动。非晶对温度场的这一类响应，需要得到体系准确的能量势垒图景。借助分子动力学模拟(MD)和激活-弛豫技术(ART)，人们已经尝试对非晶体系的势能图景的形貌进行研究。
非晶体系对温度场响应的本质可以描述为一些局域原子因热能(动能)的驱动在势能图景的局域势能阱中振动或局域势能阱之间跃迁，呈现出非晶对温度场响应的不均匀性。正是由于非晶合金对温度场响应的丰富内涵，使得人们能够利用温度场，如退火、冷热循环等来调节不均匀性，进而实现对其性能的调控。
3.2 应力场响应
非晶合金对应力场的响应与温度、应变率、加载方式密切相关。在低温或者高应变率的条件下，非晶合金对应力场响应的宏观表现为局限于纳米尺度的剪切流变 (见下图)，呈现了非晶合金对应力场响应的不均匀性。非晶合金对应力场产生流变响应的过程中，总伴随着孔穴的生成，因而孔穴现象也是非晶对应力场响应的一种方式。
Guan等基于分子动力学模拟发现: 1)在一定的条件下，孔穴形核的位置并不是随机的，表明非晶合金对应变场的孔穴响应是不均匀的；2)研究长时间未产生孔穴响应的系统时发现，体系在应变/应力加载保持的过程中已经发生了局域原子重排，这表明孔穴响应和另外一种响应模式之间的竞争关系，而这种响应模式就是非晶合金在应力加载下的本征响应模式: 局域原子重排的激活。
Liu等利用动态原子探针方法，从实验角度直观地给出了非晶合金对力学响应的不均匀性。
利用分子动力学模拟，可以观察到非晶中激活单元的相互作用、发生自组织、产生逾渗、形成剪切带 (见下图)的过程。
3.3 温度场和应力场的耦合
利用分子动力学模拟，Wang等从原子尺度上直观地给出了在动态力学加载条件下激活区域随温度变化的规律，表明温度对非晶合金应力场响应的不均匀性有着重要的影响。
Wu等得到了在同一温度下，随着应变场的增加，非晶合金中的激活区域从局域激活向逾渗演化的原子尺度图像。非晶对温度场和应力场响应的耦合，在一定程度上暗示了温度场下的玻璃转变和应力场下的剪切形变之间的密切关联。
Guan等在非晶合金模型体系中给出了在剪切流变过程中温度和应力之间的耦合关系，指出非晶合金在应力场下产生剪切形变的物理本质可能就是应力所导致的玻璃转变行为。
非晶合金不均匀性调控及应用
不均匀性是非晶体系的本征属性，并与材料的诸多性能有着密切的关联。因而，可以将不均匀性，如结构不均匀性、动态响应不均匀性等作为非晶合金材料物性的载体，通过调节这些不均匀性，来实现对其物性的优化与设计。
1非晶合金中不均匀性的调控
非晶属于非平衡态物质，所以随着时间的流逝会伴随着本征的结构弛豫和相应的物性演化，即所谓的老化现象； 通过合理地利用外场，可以实现对其本征弛豫行为 (老化过程)的加速，也可以实现本征弛豫过程的逆过程 ——年轻化(见下图)。利用外场对非晶合金中不均匀性的进行调控的主要手段可以分为温度场调控和外力场调控。还可以通过改变非晶体系的边界条件 (形貌特征)，如改变维度、尺度、引入表面缺陷等来实现对非晶合金不均匀性的调节，进而影响其物性。此外，通过有目的地设计复合相材料，如引入晶体相、非晶相等，也是当前对非晶合金中不均匀性进行调节的有效手段。
1.1 温度场
利用温度场效应来改变非晶合金中的不均匀性是最常用的一种调节手段。人们可以通过改变冷却速率、退火等方式改变材料的物性，其本质就是调节非晶体系在某一温度区间的等待时间，使得体系可以在热涨落的驱使下，在能量谷底之间跃迁,进而完成结构弛豫直至体系达到相应的平衡态。
因而在不同的退火温度下退火对不均匀性的改变和效率是不相同的。Wang等发现在不同的温度下退火对非晶合金体系状态的影响是不同的，存在对体系焓改变最有效率的退火温度，大约是0.85Tg; 而接近0.85Tg附近的退火处理也是目前被广泛采用的调节非晶合金不均匀性及其相关物性的重要手段。
晶化现象是利用温度场下退火调节非晶合金不均匀性时经常会出现的现象，这也给体系引入更广义的不均匀性，即形成了非晶复合材料，而这类复合材料中特殊的不均匀性也将对应于一些特殊的性能。
1.2 应力场
近几年来的经研究表明压强可以调节玻璃的密度及其微观结构，甚至在某些特定体系中可以调节结晶行为或者实现一种非晶态到另一种非晶态的转变。
压强和温度场冷却速率对非晶合金中动态不均匀性的调节机理是不相同的,这也是当前非晶合金研究中需要关注的重要问题之一。
Wang等通过对不同冷却速率和不同压力下制备的非晶合金体系的结构与低温弛豫行为的研究发现:通过压强和冷却速率都可以对非晶合金体系的不均匀性进行调节，但压强对结构 (短程序)不均匀性的影响较大，冷却速率对动态不均匀性的影响较大，这表明目前用来表征结构不均匀性的短程序 (局域原子团簇)和动态不均匀性之间是退耦合的。
1.3 边界条件
人们在对有机非晶体系的研究中发现表面的扩散要比内部的扩散快106倍，而这些动力学行为的差异必然会影响结构不均匀性及其相关特性。因而,引入自由表面或界面也可以看作是对非晶体系不均匀性的有效调节方式。
此外，通过改变体系的尺寸也可以有效地调节自由表面及其体相之间的比例，进而实现对非晶合金体系不均匀性的调控，影响其相关的物性，即为人们所关注的非晶合金物性的 “尺寸效应” 。显然，通过巧妙的设计引入特殊边界条件，如自由表面等，来调节非晶合金的各种不均匀性，将帮助人们理解不均匀性与物性之间的关联，有助于找到各不均匀性之间的耦合关系，进而提炼出可能的统一参量，构建完备的非晶合金体系理论框架，这是非晶合金研究的核心所在。
1.4 复合相
在 “单相”的非晶合金中引入复合相显然可以有效地改变非晶合金的不均匀性，其中引入晶态相是制备非晶基复合材料最为常用的手段。利用非晶合金在 Tg 温度附近退火时的晶化行为，可以控制非晶合金中晶态相的比例，进而调节其结构不均匀性。利用非晶合金动态响应的不均匀性，Wang等运用循环加载的方式，使得非晶合金中部分区域发生晶化，进而引入晶体相，表明可以利用非晶合金中的一种不均匀性来实现对另一种不均匀性的调节，体现了不均匀性之间的潜在关联。
Shi等利用分子动力模拟研究发现,通过控制引入的结构不均匀性的特征来调节其动态不均匀性特性的微观机理。
设计以非晶合金为基底的复合材料是实现非均匀性调控的有效方法，这些复合相本征属性的差异及其界面附近的特殊性质，给非晶合金体系的性能调控提供了更多的选择和可能。
1.5 老化与年轻化
非晶合金体系也是一种非平衡态体系，因而在时间场下，其不均匀性特征会自发地向能量低的状态演化，进而引起相关物性的改变。因而,如何调控老化的非晶体系的不均匀性，使得它恢复到老化前的不均匀性状态是被广泛关注的问题。人们采用离子辐照、自由表面、机械循环加载等方式改变非晶合金的不均匀性来实现年轻化。而最为直接的方式就是将老化后的非晶合金重熔再快速冷却，进而制备一个新的非晶合金。显然，这些方法都将对非晶合金的形貌等产生不可恢复的影响，因而并不是高效适用的调节方法。
最近的研究表明，利用低温冷热循环的方式可以有效地改变非晶合金的不均匀性，并达到实现年轻化的目的。
要想从根本上解决非晶合金的稳定性及老化问题，需要人们获得具有特定物性的超稳玻璃，其在服役环境下的弛豫行为极其缓慢。气相沉积和高压条件下退火等方法是当前获得超稳玻璃的重要手段。
综上所述，人们利用各种手段和方法来实现对非晶合金中不均匀性的调节，其前提条件是非晶合金中存在着多样的不均匀性，充分体现了 “外因是通过内因起作用”的唯物辩证法思想。
2非晶合金不均匀性的应用
非晶合金的研究过程，其实就是对其不均匀性进行调节的过程。
2.1 韧塑化
在非晶合金中引入多尺度 (纳米至微米级)的结构不均匀性，使其在变形过程中有效地阻碍单一剪切带的快速扩展，进而促进剪切带的萌生、增殖与相互交叉，以提高非晶合金中剪切带的数量，降低非均匀变形的局域化程度，是目前非晶合金韧塑化的主要手段。
2.2 磁性
非晶合金的磁性一直是其得以广泛应用的优异性能之一。大量的研究集中在对其软磁性能的提高上，包括如何提高饱和磁化强度和降低矫顽力。通过在不同温度下的退火处理，可以有效地改变非晶软磁条带的结构不均匀性，实现对其软磁性能，如饱和磁化强度、矫顽力等性能的调控。
2.3 表面物性
利用维度效应将给非晶合金的表面带来不同于体系内部或体相的不均匀性特征，如结构、动力学、化学元素不均匀性等。而这些不均匀性的差异带给非晶合金表面不同于体相材料的新奇表面物性。
Chen等利用在低于 Tg 的等温退火处理，在无序的非晶合金的表面生长出平整的有序超晶格结构；通过改变退火条件，还可以有效地超调控晶格的形貌特征。该工作极大地简化了超晶格的制备工艺，降低制造成本，为超晶格结构的可控生长提供了新思路和新方法。
非晶合金的表面催化活性是当前关注的热点之一。近来的研究表明，非晶合金在偶氮染料降解、氢析出，氧析出等能源相关的化学反应催化等化学功能性应用方面表现出优异的性能。
Wang等研究了不同表面形貌的 Fe基非晶合金粉末在降解偶氮染料反应中的效率，发现非晶粉末比晶态粉末具有更高的反应效率，并且增加非晶粉末的比表面积有助于提高反应效率，表明非晶合金表面形貌的不均匀性差异也对其降解性能有重要的影响。
最近的研究表明，非晶基金属催化剂的重要特点是比传统金属表面具有更高的催化稳定性。
小结与展望
近年来的研究表明，不均匀性是非晶合金的本征属性，与其表现出的宏观物性之间存在着密切的关联，使得有可能建立以其不均匀性特征为基础的理论框架来概括非晶合金的物性机理。但由于目前对不均匀性的描述依然不够准确或者不够完善，如对结构的描述多集中于短程序相关的参量，而这些参量显然已经不足以建立起非晶合金中准确的结构物性关联。因而，从理解本征不均匀性的角度出发，目前非晶合金研究的主要问题可以概括如下。
1) 如何找到合适的参量，较全面地概括各类不均匀性的有用信息？
2) 如何建立各类不均匀性参量之间的准确关联。
3) 如何架起实验和模拟之间的桥梁。
4) 是否存在统一的参量来描述非晶合金的不均匀性特征，并最终建立基于不均匀性特征的“微观特征-物性”的理论框架？
此外，也需要把当前的前沿研究模式和方法引入到对非晶合金的研究和探索中来。
