金屬玻璃有望按照人的所需精準控制而不是靠運氣 威斯康星大學研究取得新進展

來源 materialstoday

責編 劉晶晶

圖片來源：非晶中國大資料庫圖庫

日前，materialstoday刊文介紹威斯康星大學在金屬玻璃研究中取得新進展。其成果介紹說，金屬玻璃有望按照人的所需精準控制而不是靠運氣。

原文是這樣介紹的——

幾千年來，人們一直通過融化沙子和其他成分的混合物來製造玻璃、時尚珠子、容器、鏡頭和窗戶。現在研究人員正在開發完全由金屬原子製成的金屬玻璃。金屬玻璃的發現和研究已經五十多年了，因為這種玻璃擁有超強的硬度、頂尖的強度、無與倫比的光滑度和耐腐蝕性，所以可以用於生物醫學領域，如製作外科手術針、支架、人工關節或植入物等。半個多世紀以來，金屬玻璃不但成為了性能獨特的新材料，同時也是研究材料科學和凝聚態物理中一些重要問題的模型體系。金屬玻璃的研究已成為凝聚態物理學科的重要分支。

來自威斯康星大學麥迪遜分校的Paul Voyles教授

雖然試錯法與科學研究結合後可以幫助完善金屬玻璃製造過程，但是在製造時還不能實現原子水平上的精確控制，很大程度上仍然依靠長期的經驗和直覺。威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學院Paul Voyles教授說：「我們的工作是通過大量的數據得出這種材料在成型過程中的基本規律。」

Voyles和來自麥迪遜、耶魯大學的合作者們現在已經取得了重大的實驗進展，他們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是在何時以及何處鎖定的。研究小組在《Nature Communications》雜誌上發表了他們的最新研究結果。

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。它同時能幫助減少開發新型金屬玻璃材料的時間和成本，並使製造商能夠更深入地了解相關的工藝設計。

在生產金屬玻璃的過程中有一個重要問題，那就是金屬從熔融液體凝固成固體時往往會出現結晶現象，形成有序、有規律的重複原子結構。相反，玻璃材料具有高度無序的原子結構。雖然製造高性能的金屬玻璃聽起來很簡單，阻止金屬原子在金屬冷卻時形成晶體就可以了，但實際上這卻像抽獎時能夠中獎一樣困難。

「形成玻璃的過程和形成晶體的過程相互競爭，能夠以更快的速率發生反應的一方取得最後的勝利，同時決定了最終產品的類型，」Voyles這樣說。

在液體中，所有的原子相互間都做著永不停歇的運動。當液體狀態的金屬冷卻並開始向固體的轉變時，它的原子運動就會減慢，最終停止移動。這是一個複雜的原子級的運動，科學家們還在探索其中的奧秘。Voyles和他的合作者利用他們在電子顯微鏡和數據分析方面的專業知識，已經測量出熔融金屬液體中原子的環境發生波動的情況下，一個原子獲得或失去相鄰原子的平均時間。

Voyles解釋說：「每個原子都被一堆其他原子包圍著。在非常高的溫度下，原子會在周圍彈跳，每1皮秒（萬億分之一秒）時間後它們就有了一組新「鄰居」。隨著溫度的降低，他們和「鄰居」的聯繫越來越緊密，直到他們永久地結合在一起。」

在高溫下，原子都移動得很快。當液體冷卻時，它們移動得比較慢。生產金屬玻璃最理想的方法是讓所有的原子一起減速，同時保持相同的速度，直到他們停止移動，這樣就會形成一個固體玻璃。

Voyles說：「我們現在已經用實驗證明了不能實現這種理想控制。」

相反，他的團隊的實驗證實，原子在同一液體中從一個地方到另一個地方所需的時間存在很大差異，至少相差一個數量級。

Voyles解釋說：「一些納米尺寸的區域首先會變得「粘稠」，並長時間地與周圍原子保持聯繫。而在粘稠區域之間則是原子移動得更快的區域，它們繼續以10倍的速度波動著。然後所有區域的原子運動都變慢了，但是粘稠的區域也變大了，直到粘稠的區域佔據了多數，材料才變成了固體。」

現在，他和他的合作者們正在努力研究慢區域和快區域中的原子排列有何不同：這是接下來要研究的一個重要問題。

Voyles表示，這一成果提供了關於材料從液體向固體轉變的基本過程的寶貴信息，可以應用在所有玻璃材料，以及從塑料瓶到藥物製劑等許多其他材料上。

他說：「這真的是基礎科學。但是，如果我們真的在原子水平上理解他們的形成原理，會對實際應用產生巨大的影響。那時候我們就有機會實施精準的控制，按照我們的想法製造出我們所需要的玻璃，而不是依靠我們的運氣來生產玻璃。」

該工作得到了美國國家科學基金會和美國能源部的支持。

原文題目：New study helps clarify liquid-to-glass transition process。

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