神奇的“金屬玻璃”

吳再豐

在好萊塢電影《終結(jié)者》中，由金屬制成的變形機(jī)器人T-3000能隨意變換成各種形狀，甚至可以從門下的小縫隙中飛走?，F(xiàn)在對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，這將不再是科幻片中的幻想。一種新型的“終結(jié)者”材料面世，這就是“金屬玻璃”。目前科學(xué)家研制的金屬玻璃，強(qiáng)度是工業(yè)用鋼鐵的3倍，柔韌性是鋼鐵的10倍。

金屬玻璃是一種特殊的合金材料。通常金屬原子都是有序排列的晶體結(jié)構(gòu)，而在金屬玻璃中，原子的排列如同液體或者玻璃一樣雜亂無(wú)章。雖然從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，金屬玻璃并不是液體，但是由于它沒有固定的外形，可以像液體一樣隨意流動(dòng)，所以人們喜歡形象地稱之為“液態(tài)金屬”。

金屬玻璃的問世打破了建立在金屬晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)金屬學(xué)研究方法，它的許多獨(dú)特而且寶貴的性能使其在實(shí)際應(yīng)用中初露鋒芒。

金屬保持玻璃狀

有專家認(rèn)為“金屬玻璃”是繼鋼鐵、塑料之后，給產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)的又一次革命性的變革。長(zhǎng)期以來(lái)，人們總認(rèn)為這種非晶態(tài)的金屬玻璃是不可能制成的。我們?cè)谌粘Ｒ姷降谋?，是水分子形成六棱柱體的結(jié)構(gòu)。流動(dòng)是水分子自由活動(dòng)的一種狀態(tài)，一旦變成固體，則水分子就被井然有序地排列固定。即使金屬也一樣，在高溫熔融狀態(tài)下，原子或分子可隨意活動(dòng)。但是，一旦冷卻變成固體則呈晶體結(jié)構(gòu)。

那么，玻璃又會(huì)是怎樣呢?我們家里通常用于窗戶或杯子的玻璃被稱之“氧化物玻璃”，其主要成分是二氧化硅。氧化物玻璃從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，分子也不會(huì)組成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而是在隨機(jī)排列下固化，即保持液體那種狀態(tài)。由于高溫熔融狀態(tài)下的玻璃呈液體結(jié)構(gòu)，所以幾百年前在歐洲燒制的玻璃是下部比上部厚。此外，玻璃變成固體的過(guò)程中，它還會(huì)形成“過(guò)冷卻液體”的狀態(tài)，即變成糖稀那樣的狀態(tài)。例如在玻璃車間把熔融的玻璃吹制成器皿時(shí)，此時(shí)的玻璃就是處在“過(guò)冷卻液體”的狀態(tài)。

何謂玻璃的“過(guò)冷卻液體”狀態(tài)呢?即如果玻璃從液態(tài)冷卻成固態(tài)時(shí)，當(dāng)溫度降到比其固化時(shí)的溫度還要低時(shí)，玻璃仍然呈現(xiàn)液態(tài)的一種現(xiàn)象。

超驟冷非昌合金

通常物質(zhì)在過(guò)冷狀態(tài)下極為不穩(wěn)定，只能保持幾秒鐘。但是，玻璃卻能夠以過(guò)冷狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間存在。為此專家將具有過(guò)冷狀態(tài)性質(zhì)、原子隨機(jī)排列的非晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為“玻璃”。

通常金屬可以說(shuō)無(wú)法以非晶態(tài)固化，而且固態(tài)金屬必定是結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但是上個(gè)世紀(jì)60年代美國(guó)加州大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)，只要條件具備，金屬也可像玻璃那樣非晶結(jié)構(gòu)固化。他們使用一種特定的合金，通過(guò)1秒內(nèi)將其冷卻100萬(wàn)攝氏度的方法成功地制造出具有原子隨機(jī)排列的金屬。該方法是將合金在液體狀態(tài)下超速驟冷，加以固化。銅或鐵等普通金屬，從過(guò)冷液體到凝固結(jié)晶的時(shí)間是在0.00001秒內(nèi)，而加州大學(xué)使用的合金結(jié)晶時(shí)間是0.0001秒左右。在此期間驟冷，成功將金屬在隨機(jī)結(jié)構(gòu)下凝聚成固體。但是，它不能像過(guò)冷卻液體那樣能夠長(zhǎng)期存在，所以不算是玻璃。

為了在1秒內(nèi)驟冷100萬(wàn)攝氏度，只能制造厚度僅為20微米的箔片。如果箔片不是很薄，溫度就不均勻，仍然會(huì)結(jié)晶。此外，驟冷需要特殊設(shè)備，而且只能制造箔片，應(yīng)用范圍十分有限。

真正的“金屬玻璃”誕生

原子隨機(jī)排列的非晶金屬具有強(qiáng)度高、韌性好和耐腐蝕等特點(diǎn)。如果除了薄的箔片外還能夠制造出各種形狀的非晶金屬，那么，它的應(yīng)用就會(huì)十分廣泛。

目前，科學(xué)家在不使用超驟冷的條件下，已經(jīng)能夠以每秒1℃的冷卻速度成功地制造出各種開關(guān)的非晶金屬，并且只要很好地搭配金屬元素，就能讓這些非晶金屬以過(guò)冷卻狀態(tài)比較穩(wěn)定地存在。由于科學(xué)家制造成功的非晶金屬，其原子具有隨機(jī)的非晶結(jié)構(gòu)，而且能夠以過(guò)冷卻液體的狀態(tài)存在，故稱之為“金屬玻璃”。

卓越性能露鋒芒

實(shí)踐表明制造金屬玻璃的材料應(yīng)具有以下的共同特征：金屬玻璃具有三種以上的元素，而且它們互不相斥，具有容易結(jié)合的性質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為，迄今為止被發(fā)現(xiàn)的金屬玻璃皆滿足這些條件，但是并非所有滿足這些條件的金屬都能制造出金屬玻璃。

金屬玻璃具有哪些卓越特點(diǎn)呢?金屬玻璃的強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕，具有迄今為止金屬所沒有的各種特性。我們知道，通常金屬的結(jié)晶中存在“缺陷：即金屬結(jié)晶體存在的原子脫落部分或錯(cuò)動(dòng)部分。這種缺陷使原子可以挪動(dòng)，所以施加一定的力，可使金屬?gòu)澢材軓?fù)原，當(dāng)然力量過(guò)大仍可能使它折斷。

總之，與結(jié)晶金屬相比，金屬玻璃沒有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，原子在一點(diǎn)點(diǎn)的間隙中有活動(dòng)余地，因此它比普通金屬的彎曲性、復(fù)原性更好。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)金屬玻璃比結(jié)晶金屬的彈性極限提高了3倍。另外，在耐腐蝕性上，由于結(jié)晶金屬存在“缺陷”，容易給腐蝕的發(fā)生提供縫隙，而金屬玻璃的表面整齊致密，不給腐蝕提供任何機(jī)會(huì)，所以其耐腐蝕性更強(qiáng)。如果再使用一種以上的耐腐金屬作為金屬玻璃的成分，那么這種金屬玻璃的耐腐蝕性就會(huì)大大加強(qiáng)。

美國(guó)利用金屬玻璃出色的彈性進(jìn)行防彈車身和戰(zhàn)艦的研制。日本考慮到這種材料的成本昂貴，目前還沒考慮用于普通轎車的計(jì)劃，但是他們正在研究用于汽車剎車器等壓力傳感器上。壓力傳感器是通過(guò)金屬的應(yīng)變量來(lái)進(jìn)行工作的?？茖W(xué)家介紹，與原來(lái)使用的材料相比，使用金屬玻璃可以將靈敏度提高3.8倍。將來(lái)，一旦燃料電池汽車普及，它將成為不可或缺的元件。因?yàn)樵谌剂想姵仄囍?，為了檢測(cè)氫氣或空氣的壓力，耐用性強(qiáng)、靈敏度高的壓力傳感器將必不可少。

納米領(lǐng)域顯神威

金屬玻璃還將在納米領(lǐng)域內(nèi)大顯威力。金屬玻璃能夠像玻璃那樣自由變形加工。過(guò)去人們把熔融的結(jié)晶金屬澆鑄到模子里，也能制造出與模子形狀一樣的產(chǎn)品。但是結(jié)晶金屬在冷卻凝聚成結(jié)晶時(shí)，因有結(jié)晶的錯(cuò)位等缺陷，如果在顯微鏡下觀察，表面會(huì)呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。為此，從納米尺度來(lái)看，我們是無(wú)法正確復(fù)制這個(gè)產(chǎn)品的。如果我們把金屬玻璃照舊以過(guò)冷卻液體澆鑄到模子里凝固。就能夠精確地復(fù)制產(chǎn)品。

金屬玻璃能夠正確復(fù)制100納米寬的溝槽，結(jié)晶金屬是無(wú)法達(dá)到的。另外以照片為基礎(chǔ)通過(guò)激光加工造型，將照片復(fù)制在金屬玻璃表面也是可能的。

迄今為止能夠自由加工的是塑料等高分子材料?，F(xiàn)在，金屬玻璃除了與塑料一樣可自由地加工外，強(qiáng)度還高，這無(wú)疑將使它成為代替塑料的材料。科學(xué)家們正在抓緊時(shí)間利用金屬玻璃研制出更小的馬達(dá)。例如小型的相機(jī)或內(nèi)檢鏡，以及微型機(jī)器人等的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等。其中有一種“血管疏通器”，是安裝在導(dǎo)管前的旋翼葉片，就是用金屬玻璃制造的微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，它可以除掉堵塞血管的血栓等。

金屬玻璃還是一種優(yōu)異的磁性材料，具有高飽和磁感應(yīng)、低鐵損等優(yōu)點(diǎn)。如果用金屬玻璃來(lái)制造收錄機(jī)的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現(xiàn)象，降低磁頭與磁帶摩擦發(fā)出的噪聲，這將會(huì)給人們帶來(lái)優(yōu)美清晰的音質(zhì)和理想的音響效果。另外，如果用金屬玻璃來(lái)代替變壓器中的硅鋼片，可使變壓器的空載損耗減少三分之二。照此推算，如果全中國(guó)家庭的變壓器都采用金屬玻璃鐵芯，那么，每年全國(guó)可節(jié)約100億千瓦時(shí)電能，約合50億人民幣。

現(xiàn)在實(shí)際制造出來(lái)的金屬玻璃有1000種左右。但是如果合理組合各種金屬元素，理論上可能有1萬(wàn)種以上的金屬玻璃。由此看來(lái)，用金屬玻璃開啟的新金屬文明前景燦爛。

責(zé)任編輯蒲暉