不可思議的金屬玻璃

瑞　語(yǔ)

一根直徑4毫米粗的銅合金絲竟可以懸吊起3噸的重物；一種鐵合金浸在強(qiáng)酸性液體中，仍能完好無(wú)損；硬度無(wú)比卻能像液體那樣流動(dòng)。這就是金屬玻璃，一種前途不可限量的新型材料。

在人們的概念里，金屬與玻璃是兩種無(wú)論是外觀還是性質(zhì)都截然不同的材料，所以“金屬玻璃”這個(gè)名字聽(tīng)上去就有些不可思議。還是讓我們先進(jìn)入金屬和玻璃兩類(lèi)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作一番探究吧。

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有固體材料可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類(lèi)。金屬是典型的晶態(tài)材料，它們由許多晶粒組成，在晶粒內(nèi)部，原子呈規(guī)則排列（但在晶粒間結(jié)合處的原子則排列無(wú)序）。液態(tài)金屬冷卻變成固態(tài)金屬的過(guò)程中有確定的凝固點(diǎn)，達(dá)到這一凝固點(diǎn)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)便形成了。玻璃則是典型的非晶態(tài)材料，內(nèi)部原子呈無(wú)序排列（但在很小的范圍內(nèi)觀察，還是有一定的規(guī)律性）。玻璃從液態(tài)到固態(tài)是連續(xù)變動(dòng)的，沒(méi)有固定的凝固點(diǎn)。

從上面可以看出，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是整體上無(wú)序，但在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性，而晶態(tài)結(jié)構(gòu)是整體上有序，但在很小的尺寸范圍內(nèi)也存在著無(wú)序性。所以兩者之間也有共同特點(diǎn)。而物質(zhì)在不同條件下，既可形成晶體結(jié)構(gòu)，也可形成非晶體結(jié)構(gòu)。比如，金屬液體在高速冷卻條件下可以得到非晶態(tài)金屬；而玻璃經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，也可形成晶態(tài)玻璃。

1960年，美國(guó)科學(xué)家杜威茲首先發(fā)現(xiàn)某些液態(tài)貴金屬合金（如金硅合金）在冷卻速度非常快的情況下，其內(nèi)部的原子還來(lái)不及排好位置，尚處于雜亂無(wú)章的狀態(tài)時(shí)，便凝固了，成為非晶態(tài)金屬（合金）。這些非晶態(tài)金屬具有類(lèi)似玻璃的某些結(jié)構(gòu)特征，故稱為“金屬玻璃”。

金屬玻璃不尋常的結(jié)構(gòu)決定了其特性。晶態(tài)金屬或合金中，原子雖然排列得很整齊，但當(dāng)晶體內(nèi)有缺陷時(shí)，該金屬或合金就容易斷裂，好比搭積木一樣，抽掉中間一塊，一般就會(huì)倒塌。而金屬玻璃，原子排列雜亂無(wú)章，好比不規(guī)則形狀的石頭堆成的高臺(tái)，挖掉一兩塊，也無(wú)關(guān)大局。因此金屬玻璃的斷裂強(qiáng)度可以比鋼大3倍。

金屬玻璃由于不存在晶粒邊界，排列緊密，因此它的硬度更大，即使遭到外力重?fù)簦右埠苋菀谆貜?fù)原位，同時(shí)還具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。也正是由于沒(méi)有晶粒的體積限制，金屬玻璃很容易被制成納米級(jí)的微型器件。

金屬玻璃最令人感興趣的是它的可塑性。在一定的溫度下可以像泥巴一樣，“捏”成任意形狀，但完全冷卻后又變得非常堅(jiān)硬。雖然從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，金屬玻璃并不是液體，但是由于它沒(méi)有固定的外形，可以像液體那樣流動(dòng)，有時(shí)候也稱之為“液態(tài)金屬”。電影《終結(jié)者2》中的那個(gè)可怕的液態(tài)金屬機(jī)器人，想必還令人記憶猶新。它可以變成任意形狀，可以從狹小的縫隙間鉆過(guò)，正是體現(xiàn)了金屬玻璃的神奇之處。

把金屬（或合金）在高溫下熔融后，通過(guò)一個(gè)噴嘴噴到高速旋轉(zhuǎn)的光滑鋼質(zhì)輥面上，使其急劇冷卻（接近每秒鐘100萬(wàn)攝氏度）就有可能變成金屬玻璃。因?yàn)橐话憬饘賳钨|(zhì)極難生成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，所以已制得的在室溫下穩(wěn)定存在的金屬玻璃都是兩三種或更多種元素的形成的合金。

一開(kāi)始，這種金屬玻璃大都是很薄的帶狀材料，應(yīng)用受到限制。于是，科學(xué)家們開(kāi)始尋找生產(chǎn)“塊狀金屬玻璃”的方法。20世紀(jì)90年代初期，杜威茲的學(xué)生約翰遜終于研制出一種合金，并創(chuàng)建了液態(tài)金屬技術(shù)公司。這種被命名為Vitreloy的合金中含有鋯、鈦、銅、鎳及鈹?shù)冉饘僭樱懺鞙囟葍H在400℃左右，而鍛造鋼需要達(dá)到1000℃的高溫，這使得它有可能成為一種理想的制造用材。

2004年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員研制出新一代金屬玻璃，以50％的鐵，加上鉬、釔、錳、碳、硼、鉻和鈷等元素。其突破在于，釔的加入使材料形成非晶態(tài)能力大大增強(qiáng)，因而合金材料的冷卻速度放慢了許多。而且材料的尺寸比過(guò)去大，直徑達(dá)12毫米，從而開(kāi)拓了金屬玻璃的應(yīng)用前景。

【責(zé)任編輯】龐云