在原子層次上，玻璃的成型控制迎來新突破！

來源： CC0 Public Domain

人們使用熔融的沙子並加入其他成分來製造玻璃，時尚珠子，器皿，鏡片和窗戶已經有上千年的歷史。最近，完全由金屬原子製成金屬玻璃，正在被開發用於生物醫學。例如超尖銳的外科手術針，支架和人造關節或植入物。這是由於合金超硬，超強，非常光滑並且耐受腐蝕等。

Paul Voyles說：「隨著時間的推移，嘗試和錯誤以及科學研究的幫助完善了玻璃製造過程，而在原子層面控制金屬玻璃的製造仍然是一項不精確的工作，這在很大程度上取決於長期的經驗和直覺。我們的工作是通過增加更多的數據來建立基礎資料。」

威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系的Beckwith-Bascom教授，Voyles以及麥迪遜和耶魯大學的合作者，已經發現了在液態玻璃轉變為固態玻璃過程中，熔融金屬中不斷移動的原子在何時以及何處鎖定的。

今天在《 Nature Communications》期刊上發表的文章對不同溫度下原子的重新排列的情況進行了闡述。正是這些資料，才能為幾種相互競爭的理論增加必要的理論依據即玻璃化轉變的發生機理。這些資料還有助於減少開發新的金屬玻璃材料的時間和成本，並使製造商對工藝設計有更深刻的了解。

金屬從熔融液體轉變為固體過程是一項不小的的挑戰。它們傾向於形成有序的，定期重複的稱為晶體的原子結構。相反，玻璃材料具有高度無序的原子結構。在製造高性能金屬玻璃時，聽起來就像在材料冷卻時防止金屬原子形成晶體一樣簡單，但實際上它的合理成型就跟中彩票的概論相當。

Voyles說：「製造玻璃的過程就是晶體相互競爭勝出的過程 - 那一部分以更快的速度發生 -那一部分就決定了最終產品。」他的工作得到了美國國家科學基金會和美國能源部的支持。在液體中，所有的原子的運動都是無序的。當熔化的金屬冷卻並開始向固體過渡時，它的原子會慢下來，並最終停止運動。

這是一個複雜的原子級別移動過程，科學家們仍然在為解開這個移動過程而努力。憑藉他們在電子顯微鏡和數據分析方面的專業知識，Voyles和他的合作者已經測量了一個原子平均需要多長時間來獲得或失去相鄰原子。Voyles說：「在熔融液體中溫度非常，原子會在每一皮秒（萬億分之一秒）內發生反彈，它們總是不斷地與新原子接觸。隨著溫度的降低，它們會與周圍原子保持越來越長的距離，直到它們永久地粘在一起。」

Voyles說：「在高溫下，原子都快速移動。 然後，當液體冷卻時，它們移動得更慢; 一個簡單的描述可能是，所有的原子以相同的速度一起慢下來，直到它們停止移動並且材料變成堅固的玻璃為止。我們現在已經通過實驗證明了這是不可能發生的。」

Voyles的研究小組的實驗證實，在同一液體內不同位置之間原子鎖定到位的時間差異很大-最少也要差一個數量級。一些納米尺寸的區域，首先變得具有「粘性」，相對於周圍的原子粘性狀態要保持一段時間。在粘性的位之間是移動速度更快的位，移動較快的原子部分比緩慢的部分波動要快10倍左右，隨著時間的推移移動速度變慢，粘性部分也變得更大，直到粘性部分佔據了多數，材料變得堅固。現在，他和他的合作者正在努力了解慢速和快速部分之間原子排列的不同之處。

慢速和快速部分之間原子排列的不同之處是這個難題的下一個重大缺陷，這一進展提供了關於每種玻璃材料（從窗戶玻璃到塑料瓶到藥物製劑等等）從液體過渡到固體的基本過程的寶貴信息。Voyles說：「這真是基礎科學。但是，對於應用程序來說，最終的潛在影響是如果我們真正理解材料在原子級別如何工作，這就使我們有機會構建控制系統。通過控制系統可以得到我們想要的理想材料而不是只有在幸運的情況下才能得到。」

原文來自phys，原文題目為Liquid-to-glass transition process gains clarity，由材料科技在線匯總整理。

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